1.3发酵工程及其应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第1章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 从社会中来 导 思 1、什么是发酵工程？与传统发酵技术相比有什么区别或进步？ 2、发酵工程的特点？ 3、发酵工程的基本环节有哪些？ 4、发酵工程的中心环节？选育菌种的途径？扩大培养的原因？ 5、分离提纯的产物类型及方式？ 6、发酵工程在社会和经济中有哪些应用？ 7、啤酒的工业化流程分为哪两个阶段？分别包括什么？ 议 1. 微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ 2. 怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 3. 在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 4. 在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 5.与传统的手工发酵相比，在啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？ 6.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？ 1、发酵工程的概念： 利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 ①微生物： 自然界中具有优良性状的微生物 诱变育种的微生物 基因重组的微生物 （常规菌） （工程菌） ②产 品： 包括利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造的酸奶，及利用工程菌生产的人胰岛素。 ③实 质： 利用微生物进行产品生产。 一、发酵工程的基本环节 展 产物专一 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的特点 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 在农牧业上的应用 在其他方面的应用 发酵工程的应用 展 6 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①方法： 自然界直接筛选性状优良的常规菌种； 通过诱变育种或基因工程育种获得。 ②实例： 筛选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸（自然界）； 使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒（基因工程） 2、发酵工程的基本环节： 如青霉素高产菌株的获取（诱变育种）。 一、发酵工程的基本环节 展 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ②扩大培养的原因： 工业发酵罐的体积一般较大。 因此，需要接入的菌种数目比较多。 ③怎样扩大培养？ 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 ①扩大培养的目的： 获得更多的菌种 2、发酵工程的基本环节： 液体培养基 一、发酵工程的基本环节 展 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求。 ②配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 2、发酵工程的基本环节： 一、发酵工程的基本环节 展 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。 ②灭菌的原因分析： 杂菌与菌种之间形成的种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。 ④实例： 在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。 ③灭菌的目的： 防止杂菌污染而影响产品的质量和品质。 2、发酵工程的基本环节： 一、发酵工程的基本环节 展 2、发酵工程的基本环节： 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①将扩大培养的菌种投放到发酵罐内 一、发酵工程的基本环节 展 2、发酵工程的基本环节： 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 发酵工程的中心环节 ①发酵过程的监控： a、要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程； b、及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物； c、严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与搅拌等发酵条件，已获得所需的发酵产物。 发酵罐内发酵 一、发酵工程的基本环节 展 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 发酵工程的中心环节 ②发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？（原因） a.环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。 例如：谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 b.严格控制发酵条件，有利于发酵过程处于最佳状态。 一、发酵工程的基本环节 展 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器及控制装置 冷却水进入口 阀门 空气入口 放料管 生物传感器装置 搅拌叶轮 发酵液 冷却夹层 冷却水排出口 pH计 排气管 电动机 发酵罐示意图： 抽取样本进行检测 调节罐温 调节罐压 控制溶解氧含量 不断搅拌的目的： ①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率； ②加快O2的溶解以及散热。 一、发酵工程的基本环节 展 2、发酵工程的基本环节： 选育菌种 扩大培养 配置培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② 发酵产物类型 获得产品的方法 微生物细胞 代谢物 过滤、沉淀等方法 适当的提取、分离和纯化措施 分离、提纯产物的方法措施： 一、发酵工程的基本环节 展 结合图1-9，分析和讨论以下问题。 思考 讨论 1. 微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ 需要考虑的因素包括： ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖； ②生产所需代谢物的产量高； ③发酵条件容易控制； ④菌种不易变异、退化等。 2. 怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。 一、发酵工程的基本环节 展 3. 在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。 一、发酵工程的基本环节 展 4. 在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 一、发酵工程的基本环节 展 1.与传统的手工发酵相比，在啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？ 菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和质量。 啤酒的工业化生产流程 展 2.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？ 应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。 展 某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？ 我国幅员辽阔,地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上決定了生产发酵产品的成败。 一、发酵工程的基本环节 评 思考·讨论：啤酒的工业生产流程 【酿制啤酒的原理】 啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的。 评 啤酒的工业化生产流程 我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 消毒 终止 后发酵 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成 在低温、密闭的环境下储存一段时间 评 24 啤酒的工业化生产流程 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 冷却 大麦种子发芽，释放淀粉酶。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉分解，形成糖浆。 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。 酵母菌将糖转化为酒精和CO2。 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。 消毒 终止 后发酵 过滤 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 发酵工程的基本环节 01 评 类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒 原料 是否添加食品添加剂 麦芽汁浓度 发酵时间 特点 只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水 麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等 不添加 添加 较高，口味浓郁 较低，口味清淡 长，可达2个月 短，通常7天左右 产量低、价格高 产量高、价格低 评 生产传统的发酵产品 发酵工程的应用 02 在食品工业上的应用 生产各种各样的食品添加剂 ②实例1——柠檬酸 ③实例2——味精 增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期 淀粉 淀粉酶 黑曲霉 葡萄糖 柠檬酸合成酶 柠檬酸 谷氨酸棒状杆菌 发酵 氧气 谷氨酸 处理 味精 评 生产传统的发酵产品 发酵工程的应用 在食品工业上的应用 生产各种各样的食品添加剂 生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶、脂肪酶等 ①产品： α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。 ③来源： 少数由动植物生产， 大多数通过发酵工程生产 ②应用： 用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产量等方面。 评 在医药工业上的应用 02 发酵工程的应用 基因 工程 将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物 通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素 评 通过发酵技术大量生产所需要的产品 直接对菌种进行改造 将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物 在医药工业上的应用 02 02 基因 工程 利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素 发酵工程的应用 评 通过发酵技术大量生产所需要的产品 直接对菌种进行改造 将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物 在医药工业上的应用 02 02 基因 工程 将病原体抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物可以作为疫苗使用 发酵工程的应用 评 通过发酵技术大量生产所需要的产品 直接对菌种进行改造 将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物 在医药工业上的应用 02 02 基因 工程 将病原体抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物可以作为疫苗使用 未来可能用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等。 发酵工程的应用 02 评 生产微生物肥料 利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥 在农牧业上的应用 02 微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的　　　、　　　 等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。 有机酸 生物活性物质 发酵工程的应用 评 生产微生物肥料 在农牧业上的应用 02 02 微生物农药是利用　　　或　　　 来防治病虫害的。 微生物农药作为　　　　的重要手段 微生物 其代谢物 生物防治 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 苏云金杆菌 80多种农林虫害 白僵菌 玉米螟、松毛虫 一种放线菌产生的抗生素 —井冈霉素 水稻枯纹病 生产微生物农药 发酵工程的应用 02 评 项目 微生物农药防治 化学农药防治 防治机理 优点 缺点 利用微生物或代谢物进行防治 成本低、无污染，可以维持生态平衡 防治速度慢 利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治 见效快，操作简单 成本高，污染环境，不利于维持生态平衡 微生物农药防治和化学农药防治的比较 发酵工程的应用 评 生产微生物农药 生产微生物肥料 在农牧业上的应用 02 02 微生物含有丰富的　　　 蛋白质 实例1——单细胞蛋白 许多国家以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白。 实例2——乳酸菌 在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。 应用——食品添加剂、微生物饲料 生产微生物饲料 发酵工程的应用 评 解决资源短缺和环境污染问题 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂；嗜低温菌提高热敏性产品的产量 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决　 和　　 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 粮食、环境、健康 能源 在其他方面的应用 02 对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用 发酵工程的应用 02 评 思考 提示：在农业生产中,可以利用农作物废弃物生产食用菌,利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料;在植物保护方面,应用微生物产生的抗生素来生产生物农药,治理病虫害等。 1.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。 提示：利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾,利用发酵工程使烟气脱硫,还可以利用微生物工程除臭等。 2.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。 评 食品工业 医药工业 生产传统发酵食品 农牧业 其他方面 生产食品添加剂 发酵工程应用 生产酶制剂 采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物 直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 解决资源短缺与环境污染问题 将极端微生物应用于生产实践 结 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$