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3节 发酵工程及其应用 李映珠 一代神药——青霉素（视频） 科学实例：一代神药——青霉素 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。 那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 它涉及菌种的选育和培养，产物的分离和提纯等方面。 大规模生产发酵产品 对发酵原理的认识 微生物纯培养技术建立 密闭式发酵罐设计成功 严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等) 微生物的特定功能 现代化工程技术 发酵工程 一、发酵工程基本环节 选育菌种 扩大培养 接种 灭菌 配制培养基 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 发酵工程的基本环节和发酵罐示意图 一、发酵工程基本环节 在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。 生产柠檬酸 生产啤酒 生产青霉素 生产味精 黑曲霉 啤酒酵母 黄青霉 谷氨酸 棒状杆菌 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。 接种 选育菌种 制备培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养 发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 阀门 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 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。 如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。 一、发酵工程基本环节 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 阀门 放料管 编号 主要用途 A区 B区 C区 D区 控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养 通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程。 取样器也可以通过取样判断发酵状态和程度。 通过控制冷水流速调节罐温 电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。 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？ 思考·讨论 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 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发酵条件易控制； ④菌种不易变异，退化等。 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。 ①反复试验确定培养基的配方；②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等； ④及时添加必需的营养组分； ⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制 一、发酵工程基本环节 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？ 思考·讨论 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 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、过滤等方法来分离提纯产物。 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、发酵工程基本环节 一、发酵工程基本环节 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 1、判断对错 （1）发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。（ ） （2）发酵工程的产品主要包括微生物的代谢、酶及菌体本身。（ ） （3）在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。（ ） 练习∙反馈 × √ √ 练习∙反馈 2、右图是发酵工程常用的发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题。 (1)在发酵前，需用 法对整个发酵罐进行灭菌 ，为保证该过程的实施，整个发酵罐必须是 的。 (2)在发酵过程中，电动机不停带动搅拌叶轮转动，这样做的目的是 。 (3)冷却水是为了带走微生物进行 产生的热量，以维持发酵液温度的稳定，若温度过高，会影响微生物 ，导致不能产生相应代谢产物，甚至死亡。 高压蒸汽灭菌 密封 让微生物与营养物质充分接触， 以保证微生物的营养供应 细胞呼吸 酶的活性 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 阀门 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 ①生产传统发酵产品 酱油 大豆(主要原料) 黑曲霉 (蛋白酶) 小分子肽和氨基酸 淋洗、调制 酱油的生产 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 各种酒类的生产 二、发酵工程的应用 二、发酵工程的应用 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 蒸煮 5 6 发酵 7 消毒 8 终止 主发酵 后发酵 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。 在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。 二、发酵工程的应用 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 练习∙反馈 3、某酒厂以大米为主原料，利用席母南发牌生产活精度不低于12度的米酒，其主要工艺流程如下: 试就生产过程回答下列问题。 糖化 发酵 后加工（勾兑、储运等） (1)糖化阶段主要包括蒸煮大米及加人“糖化酶”等，“糖化酶”应包括的主要酶类有 ，糖化酶使(大米中)淀粉发生的主要变化是 。 淀粉酶和麦芽糖酶 淀粉→麦芽糖酶→葡萄糖 练习∙反馈 (2)发酵阶段主要在5 m3的发酵罐中进行，主要工艺为：加料(糖化后的米浆)→接种菌种(主要为酵母菌)→通气培养→密封发酵。 ①接种后通气培养的主要目的是 。 在接种时常加入尿素或其他氮肥，其目的是 。 ②“密封”的目的是 。 (3)在酿酒业中，为了保持酒的风味不变，应让酵母菌进行 (填“无性生殖”或“有性生殖”)，这是利用了 ； 为了研制新酒，应让酵母菌进行 (填“无性生殖”或“有性生殖”)，这是利用了 。 无性生殖 无性生殖能保持亲本性状的稳定性 有性生殖后代有较大的变异性 有性生殖 造成缺氧环境，让酵母菌进行发酵 使酵母菌呼吸作用旺盛、能量充足而迅速繁殖 提供菌种生长所需要的氮元素 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 ②生产各种各样的食品添加剂 添加剂类型 举例 酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 增味剂 5`-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 防腐剂 乳酸链球菌、溶菌酶 增加食品的营养 延长食品的保存期 改善食品的口味、色泽和品质 淀粉 淀粉酶 葡萄糖 黑曲霉 柠檬酸 柠檬酸合成酶 谷氨酸棒状杆菌 发酵 谷氨酸 味精 处理 氧气 二、发酵工程的应用 ③生产酶制剂 酶制剂： 从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。 分 类： 胞内酶和胞外酶 特 点： 易于工业化生产，便于改善工艺、提高质量。 举 例： 果胶酶；脂肪酶；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基酸肽酶 1.在食品工业上的应用 二、发酵工程的应用 2.在医药工业上的应用 ①发酵工程生产的药物 各种抗生素 多种氨基酸 多种激素 多种免疫调节剂 ②发酵工程生产的药物的方法 动植物的基因 微生物 直接改造微生物 转入 微生物 病原体的抗原基因 转入 发酵 工程 药物 药物 疫苗 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 ①生产微生物肥料 微生物肥料的原理 利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力、改良土壤结构、促进植株生长、增强植物抗病性和抗逆性。 利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的的发生。 常见微生物肥料： 根瘤菌肥、固氮菌肥 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 ②生产微生物农药 微生物农药的作用机理： 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 实例： 苏云金杆菌 防治80多种农林虫害。 白僵菌 防治玉米螟、松毛虫等虫害。 井冈霉素 防治水稻枯纹病。 防治类型： 生物防治 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 ③生产微生物饲料 原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 实例1——单细胞蛋白 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； 应用： 生产过程： 食品添加剂、微生物饲料； 成分： 不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。 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 单细胞蛋白 二、发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 (1)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。 (2)将极端微生物应用于生产实践 自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。 ①极端微生物： ②举例： 嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂； 嗜低温菌有助于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 课堂小结 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 1、下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是( ) A.发酵工程的基本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等 B.接种是发酵工程的中心环节，接种必须在无菌条件下进行 C.发酵过程中，不能再向发酵罐中添加营养物质，以免造成污染 D.整个发酵过程中通过人工方法对发酵过程中温度、pH、溶解氧等进行检测和控制，从而使发酵过程处于最佳状态 练习∙反馈 A 2、由于发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一等特点，在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列有关发酵工程在食品工业上应用的描述，错误的是( ) A.酱油是以大豆为主要原料，利用霉菌制作而成的 B.啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，其中，酵母菌的繁殖在主发酵阶段完成，大部分糖的分解和代谢物的生成在后发酵阶段完成 C.味精是由谷氨酸棒状杆菌发酵产生的谷氨酸经过一系列处理获得的 D.由于酶制剂催化效率高、专一性强、作用条件温和，因此在使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类以及适宜的温度和pH 练习∙反馈 B 3、发酵工程广泛应用于农牧业、食品工业、医药工业等工业生产。下列关于发酵工程的叙述错误的是( ) A.发酵工程的形成离不开微生物纯培养技术的建立及发酵罐等设备的成功设计 B.筛选出高产柠檬酸的黑曲霉菌种后可直接接种到发酵罐中进行发酵生产 C.若培养基或发酵设备灭菌不彻底，则可能造成青霉素发酵的产量降低 D.发酵工程生产的单细胞蛋白含有糖类、脂质等多种化合物，可作为家畜的优质饲料 练习∙反馈 B 4、随着微生物分离纯化技术的建立，微生物纯培养物的获得，灭菌及无菌接种技术的发展，发酵技术从传统自然发酵发展为纯种发酵。发酵工程就是利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。下列关于发酵工程及其应用的叙述中，错误的是( ) A.通过发酵工程获得的单细胞蛋白可作为食品添加剂，也可制成微生物饲料 B.啤酒的工业化生产过程中，酒精的产生积累主要在主发酵阶段完成 C.微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，是生物防治的重要手段 D.只有发酵工程的中心环节结束时才需要检测培养液中的微生物数量、产品浓度等 练习∙反馈 D 谢谢 32 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.31 Lavf59.6.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$