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 1 1.概述发酵工程及其基本环节。 2.举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。 一、学习目标 二、重点 发酵工程的基本环节、发酵工程的基本应用。 发酵工程的基本环节。 三、难点 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，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，一瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要一元左右。 发酵工程 什么是发酵工程？发酵工程的出现需要哪些条件？ 从生活中来 那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 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) 大规模生产 发酵产品 现代化工程技术 微生物的特定功能 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（P1） 1. 发酵工程的概念： 2. 发酵工程出现的前提条件： 阅读P22-P23的图1-9，思考下列问题： 1、发酵工程所需的菌种只能从自然界筛选吗？选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ 2、扩大培养的目的是什么？一般选择哪种培养基？ 3、为什么要对培养基和发酵设备进行严格的灭菌？ 4、发酵工程的中心环节是什么？有哪些注意事项？ 5、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 6、发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 7、排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？ 一、 发酵工程的基本环节 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、 发酵工程的基本环节 （1）目的： 获得性状优良的菌种 （2）菌种来源： （3）实例： ①自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 （常规菌） （工程菌） 发酵工程中所用的菌种大多是___________， 单一菌种 1.选育菌种 优良的菌种是提高发酵产物的质量和产量的首要条件。 生产柠檬酸 黑曲霉 生产啤酒 啤酒酵母 思考：发酵工程选用的菌种时需要考虑哪些因素?（p23） ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖； ②菌种不易变异、退化等； ③发酵条件易控制； ④生产所需代谢物的产量高 7 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。 工业发酵罐的体积一般为几十立方米到几百立方米，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。 (1)目的： (2)扩大培养的培养基（物理性质）： 怎样对菌种进行扩大培养？ 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 增加菌种数量，缩短生产周期。 一般为液体培养基。 2.扩大培养 工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大（数目多）。 9 3.配制培养基 配置要求： ②注意： 配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用（即不断优化培养基） 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。 4.灭菌 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。 5.接种 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。 在菌种确定之后，结合菌种代谢特点 选择原料制备培养基； 原因： ②实例： 灭菌原因：①杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降②杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。 例子：在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡 10 （1）发酵过程的监控 ①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，了解发酵进程。 ②及时添加必需的营养组分。 ③严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。 （2）严格控制发酵条件的原因 （3） 监控系统： 环境条件不仅影响微生物生长繁殖， 而且会影响微生物代谢物的形成。 谷氨酸的发酵生产中：谷氨酸棒状杆菌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。 发酵过程中使用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、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行检测和控制， 还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 6.发酵罐内发酵 ——发酵工程的中心环节 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 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使微生物得到充足的O2 ②使微生物与培养基充分接触，混合均匀； ③有助于充分散热； ④有利于固体物质在发酵液中保持悬浮状态。 (4)发酵条件及相应的调节和控制方法： 6.发酵罐内发酵 (1)温度的控制：可通过温度传感器和控制装置进行检测，可通过调节冷却水的进、出水口的水流来调整。 (2)溶解氧的控制：通过通气量和搅拌速度调节。 (3)pH的控制：可通过pH计检测，通过加酸或碱进行调节；也可通过pH缓冲液进行保持。 12 发酵产物类型 获得产品的方法 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： 微生物细胞 代谢物 酱油 味精 啤酒 青霉素 根瘤菌 7.分离、提纯产物 8.获得产品 ①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。 ②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。 13 怎么对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 思考1 用计算机控制系统对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行监测和控制，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。 思考2 思考∙讨论 发酵工程基本环节分析P23 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。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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。 14 项目 发酵工程 传统发酵技术 区别 菌种 对发酵条件的控制 产品处理 生产规模和产品 分离和提纯产物的方法较多。最后需要进行质量检查 不会再对产物进行分离和提纯处理，或仅采用简单沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。 通过微生物纯培养技术筛选或其他技术生产的优良菌种，大多是单一菌种 原材料中天然存在的混合菌种 严格无菌操作，防止杂菌污染。通过现代工程技术对发酵条件精确地控制，使发酵条件处于最佳状态 不是无菌操作，容易受到杂菌污染，对发酵条件不能严格控制，易受外界条件影响 生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本低，产物多样，产量高 通常是家庭式或作坊式的，产量低，生产往往受季节和原料限制，产品风味品种比较单一，质量不稳定 3.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：产物一般是复杂的混合物，一般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：使用的分离和提纯产物的方法较多。常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换，液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 15 例.下列对发酵工程内容的叙述，错误的是（ ） A．发酵工程的中心环节是在发酵罐内的发酵 B．发酵过程使用的菌种可以从自然界存在的微生物中直接筛选 C．发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标 D．通过对微生物细胞产物进行提取、分离和纯化等措施可获得单细胞蛋白 D　 例.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是(　　 ) A．菌种选育、扩大培养及配制培养基和灭菌是发酵工程的中心环节 B．只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行 C．在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径 D．在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，不需添加营养组分 C　 例. 下列关于发酵条件的控制的叙述，不正确的是(　 　 ) 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，因此发酵过程要严格控制发酵条件 B．发酵过程中，微生物代谢产热和机械搅拌产热会使发酵温度升高，因此要及时调节发酵罐温度 C．培养基中营养物质的利用和代谢物的积累，可能会导致发酵液pH发生改变，如工业酿酒会导致pH上升 D．现代工业发酵对发酵条件的监测和控制是通过计算机系统实现的，可以使发酵过程处于最佳状态 C　 果酒制作过程中不仅会产生酒精，还会产生大量的二氧化碳，发酵液的pH会下降。 18 阅读课本24-27页，思考以下问题。 1、发酵工程有哪些特点？ 2、发酵工程在食品工程上的应用体现在哪些方面？举例说明？ 3、发酵工程在医药工程上的应用体现在哪些方面？举例说明？ 4、发酵工程在农牧业上的应用体现在哪些方面？举例说明？ 5、发酵工程在其他方面的应用体现在哪些方面？举例说明？ 二、发酵工程的应用 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 二、发酵工程的应用 20 （1）生产传统的发酵产品 实例1：工业生产酱油 实例2：工业生产酿酒 大豆蛋白质 小分子肽 和氨基酸 酱油 谷物、水果 酒精+CO2 霉菌产生蛋白酶 酵母菌 无氧条件 淋洗调制 各种酒类 1.在食品工业上的应用 21 啤酒的工业化生产流程 22 啤酒的工业化生产流程 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 大麦 水 糖化罐 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。 淀粉水解 形成糖浆。 【思考 讨论】 蒸煮 5 6 发酵 7 消毒 8 终止 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。 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 糖浆 啤酒花 过滤 冷却 装瓶 装罐 储存罐 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 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。 啤酒的工业化生产流程 问题1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ “通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖； “密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 问题2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？ 使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐剂 稳定泡沫 有利于麦芽汁的澄清 平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲 问题3.蒸煮时啤酒花的作用是什么？ 26 问题5.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？ 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 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。 27 例.下图为某种啤酒的工业化生产流程。下列叙述错误的是（　 　） A．麦芽粉碎有利于糖化过程中淀粉酶发挥作用 B．啤酒花可为该产品提供风味物质，提升感官评价 C．后发酵过程应控制合适温度和较高溶解氧以保证酵母菌繁殖 D．可通过调整麦汁浓度控制啤酒中的酒精含量 C 1.在食品工业上的应用 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。 （2）生产各种各样的食品添加剂 ①食品添加剂的作用： 实例1：柠檬酸 柠檬酸是一种食品酸度调节剂；可以通过黑曲霉的发酵制得。 实例2：味精 由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸；谷氨酸经过一系列处理就能制成味精。 添加了柠檬酸的饮料 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 乳酸链球菌素、溶菌酶 食品添加剂 ≠ 违法添加物 （3）生产酶制剂 概念： 从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。 来源： 少数由动植物生产外，大多数通过发酵工程生产 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。 产品： α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。 1.在食品工业上的应用 30 2.在医药工业上的应用 ①利用基因工程将动植物基因转移至微生物细胞中，获得具有特殊生产能力的微生物，大量生产人们所需要的产品，如人胰岛素、干扰素等。 ②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。 生长激素释放抑制激素 抑制 生长激素的不适宜分泌 治疗 肢端肥大症 50万个羊脑 提取 生长激素释放抑制激素 5mg 7.5 L培养液 提取 生长激素释放抑制激素 5mg ③利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转移至微生物中，通过发酵技术大量获得疫苗。 乙型肝炎病毒的抗原基因 转入 酵母菌 生产 乙型肝炎病毒的抗原 疫苗 ④未来还可能利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。 紫杉醇：具有高抗癌活性，现已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。 思考：抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？ (1)某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他 种类的微生物杀死。 (2)微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质， 包括氨基酸、核苷酸等。 (3)微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解 成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。 33 3.在农牧业上的应用 （1）生产微生物肥料 ①利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，如：根瘤菌肥、固氮菌肥。 ②有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 微生物农药的作用机理： 利用 或其 来防治病虫害 生物防治 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 微生物 代谢物 苏云金杆菌(Bt毒蛋白) 80多种农林害虫 白僵菌(真菌) 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 （2）生产微生物农药 防治类型： 苏云金杆菌的防虫原理是其菌株可产生内毒素（伴胞晶体）和外毒素两类毒素，使害虫停止取食， 害虫均因饥饿、血液败坏和神经中毒而死 白僵菌是一种子囊菌类的虫生真菌，可释放相应物质可引起昆虫中毒，打乱新陈代谢以致死亡。 当水稻纹枯病菌的菌丝接触到井冈霉素，能很快被菌体细胞吸收并在菌体内传导，干扰和抑制菌体细胞正常生长发育,从而起到防治作用。 35 微生物农药防治和化学农药防治的比较 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 （3）生产微生物饲料 微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%〜80%，而且细菌生长繁殖速度很快。 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。其成分:不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质 Ⅰ.用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂； Ⅱ.单细胞蛋白制成微生物饲料，能使家禽增重快，产奶量或产蛋量高。 ②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。 4.在其他方面的应用 (1)解决资源短缺与环境污染问题 随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。 (2)将极端微生物应用于生产实践 ①极端微生物：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 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，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 例.我国是名副其实的发酵大国，发酵工程在食品工业、医药工业及农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列相关叙述错误的是（ ） A. 发酵工程的产品包括微生物的代谢产物、酶和菌体本身 B. 利用酵母菌等菌种的发酵工程生产的单细胞蛋白，可作为食品添加剂 C. 将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵可生产乙型肝炎疫苗 D. 利用发酵工程生产的微生物农药，作为化学防治的重要手段，可用于防治病虫害 D 例.下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述，错误的是 A.生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油 B.生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的营养 C.生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得 D.生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产 B 1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。 (1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力) 可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。 (2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？ 可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 二、拓展应用 41 课堂总结 42 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$