1.3发酵工程及其应用 课件 2025—2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第一章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 新课导入 青霉素 是世界上第一个应用于临床的抗生素。 你知道青霉素的历史吗？ 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。 早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到 金币 如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂 硬币 ？ 那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 目录 01 一、发酵工程的基本环节 一、发酵工程的基本环节 对发酵原理的认识 微生物纯培养技术建立 密闭式发酵罐成功设计 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 发酵工程：是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。 1.发酵工程的概念： 一、发酵工程的基本环节 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。 发酵工程的基本环节? 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 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 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 选育菌种 目的：获得性状优良的菌种 菌种来源：①从自然界中筛选②诱变育种③基因工程育种 选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸； 使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒。 产柠檬酸量高的黑曲霉 基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程，缩短生产周期 问：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？ 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。 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 扩大培养 快速增加菌种数量，确保有充足的菌体参与发酵 目 的： 问：菌种扩大培养的最佳时期？ 将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。 问：扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选什么培养基进行培养。 液体培养基 液体使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 制备培养基 配置培养基要遵循的原则： ①即营养物质满足微生物的需要，营养物质的浓度及配比恰当，物理、化学条件适宜等。 ②配置的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。 ③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） 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 灭菌 防止杂菌污染而影响产品的品质和产量 发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。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。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 ①目 的： 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。 ②灭菌的原因分析： ③实例： 接种 将 的菌种投放到 中。 发酵罐 扩大培养后 如培养基，发酵设备等灭菌处理 （无菌条件下接种） 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 发酵罐内发酵 —发酵工程的中心环节 监控：①随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，了解发酵进程。 ②要及时添加必需的营养成分， ③要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件； 实例——谷氨酸发酵： 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生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺； 问：为什么要严格控制发酵条件？ ①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成； ②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 发酵罐内发酵 —发酵工程的中心环节 装置编号 主要用途 ①②③ ④ ⑤⑥⑦⑧⑨ ⑩⑪ ⑫ ⑬⑭ 控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养 控制溶解氧含量 通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测。 通过控制冷水流速调节罐温 调节罐压 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。 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 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 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。 控制溶解氧含量 控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养 发酵罐内发酵 一、发酵工程的基本环节 2.发酵工程的基本环节： 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： 分离、提纯产物，获得产品 问：发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理? 为了减少或避免污染物的产生和排放，二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。 一、发酵工程的基本环节 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 小结 发酵工程 原理 概念 基本环节 实质 产物 发酵原理和工程学原理 通过微生物的大量繁殖获得所需产品 代谢物或微生物细胞本身 是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。 目录 02 二、发酵工程的应用 二、发酵工程的应用 因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。 发酵工程特点 ①生产条件温和 ②原料来源丰富且价格低廉 ③产物专一 ④废弃物对环境的污染小和容易处理 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 微生物最早开发和应用的领域，产量和产值都居于发酵工业的首位。 （1）生产传统的发酵产品 生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等 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 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 二、发酵工程的应用 思考·讨论：啤酒的工业化流程 ①发芽 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。 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 ⑤蒸煮 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 接种 主发酵 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。 后发酵 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。 啤酒的工业化生产流程 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （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。 （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？ 思考讨论 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 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,稳定性提高 二、发酵工程的应用 ② 生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂—柠檬酸，增味剂—谷氨酸钠等 1.在食品工业上的应用 淀粉 黑曲霉 淀粉 酶 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 （1）柠檬酸（酸度调节剂） （2）味精 （3）食品添加剂的作用 增加食品的营养 改善食品的口味、色泽和品质 延长食品的保存期 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 食品添加剂 ≠ 违法添加物 公众谈食品添加剂色变，更多的原因是混淆了非法添加物和食品添加剂的概念，把一些非法添加物的罪名扣到食品添加剂的头上显然是不公平的。 《国务院办公厅关于严厉打击食品非法添加行为切实加强食品添加剂监管的通知》中要求规范食品添加剂生产使用：严禁使用非食用物质生产复配食品添加剂，不得购入标识不规范、来源不明的食品添加剂，严肃查处超范围、超限量等滥用食品添加剂的行为，同时要求在2011年年底前制定并公布复配食品添加剂通用安全标准和食品添加剂标识标准。 二、发酵工程的应用 ③生产酶制剂 1.概念： 从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。 2.来源： 少数由动植物生产 绝大多数通过发酵工程生产 3.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。 4.产品： α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。 请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂。 探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶 探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶 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，通过发酵技术大量生产所需产品。 ②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。 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。 二、发酵工程的应用 2.在医药工业的应用 生产抗生素 例如应用产黄青霉生产青霉素，用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。 生产多种氨基酸 许多微生物都能产生氨基酸，发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。 生产激素 利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。 生产免疫调节剂 例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。 二、发酵工程的应用 2.在医药工业的应用 基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 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 各种抗生素 多种氨基酸 多种激素 多种免疫调节剂 发酵工程生产的药物 二、发酵工程的应用 2.在医药工业的应用 ①利用基因工程将动植物基因转移至微生物细胞中，获得具有某种药物生产能力的微生物 实例： ①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素。 ②利用基因工程改造的微生物生产疫苗。将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。如一种生产乙型肝炎疫苗的方法就是将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产。 ③未来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。 二、发酵工程的应用 2.在医药工业的应用 ②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。 实例：通过诱变的青霉素高产菌株的培育 优点： ①使得药物大量生产和使用 ②降低药物的价格 二、发酵工程的应用 2.在医药工业的应用 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 ①微生物肥料的种类： 根瘤菌肥、固氮菌肥 ②微生物肥料的作用： Ⅰ生物肥料利用了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。 Ⅱ有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 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 微生物农药作为______________的重要手段 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多种农林害虫 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 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 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 二、发酵工程的应用 4.其他方面的应用 ①原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 ②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。 ③实例2——乳酸菌 单细胞蛋白 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 还需要铁、锌等微量元素 二、发酵工程的应用 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质 ②对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温等环境）的利用 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂 嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量 ①解决资源短缺与环境污染问题 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 能源 健康 4.其他方面的应用 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 小结 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf59.6.100 $