1.3 发酵工程及应用 课件 2025-2026学年高二下学期生物人教版选修性必修3

人教版高中生物学 选择性必修3《生物技术与工程》 第1章 第3节 发酵工程及应用 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。 教学目标 情境导入 青霉素简史 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。如今，一瓶规格160万单位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？ 发酵工程 发酵工程： 是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。 发酵工程的实现途径 需要解决哪些核心问题？ 发酵工程的基本环节 发酵工程主要包括哪些环节? 选育高产菌种 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 思考:最初弗莱明发现的青霉菌产量极低，每毫升发酵液仅能产生几单位青霉素，无法满足生产需求，如何获得高产的青霉素菌种? 1.菌种选育 发酵工程的基本环节 活动一：小组讨论“高产青霉素菌种的选育方法”，结合教材知识和课前收集的资料，列举可能的选育方式，并说明理由。 菌种来源： ①自然界中筛选 从发霉培养皿中筛选出青霉菌 ②诱变育种 通过紫外线、X射线等诱变处理青霉菌，筛选出高产的突变株 ③基因工程育种 通过基因工程技术，优化青霉素合成关键基因并构建工程菌，进一步提高产量 发酵工程的基本环节 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，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。选育的菌种能直接用于发酵生产吗? 2.扩大培养 目的： 原因： 扩大培养的培养基： 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 扩大培养的培养基：一般为液体培养基。可以使微生物与营养物质充分接触，提高营养物质的利用率，有利于微生物的繁殖 获得更多的菌种 发酵工程的基本环节 思考：高产青霉菌株在工业生产中是在发酵罐中培养的，罐中需要装入专门的培养基。结合青霉菌的代谢特点，你认为青霉素生产的培养基需要满足哪些要求? 活动二 分析青霉菌发酵培养基中各成分的作用，思考:为什么用乳糖不是葡萄糖?为何花生饼粉成为青霉素工业生产的常用原料? 发酵工程的基本环节 花生饼粉原料易得,价格低,营养丰富,适合工业化生产。 碳源，为青霉菌提供能量和物质原料 氮源，为合成蛋白质、核酸等提供氮元素 无机盐，维持生命活动的“微量元素”；调节培养基渗透压；作为酶的辅因子等 葡萄糖是“速效糖”，会导致菌体快速生长却抑制青霉素合成。乳糖为缓释糖,能稳定供能,避免“分解代谢阻遏”,保障青霉素长期合成 青霉素G侧链的关键原料 选育高产菌种 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 在菌种确定之后，结合菌种代谢特点，要___________制备培养基。 在生产实践中，培养基的配方要经过____________才能确定 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。 应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。 反复试验 选择原料 发酵工程的基本环节 3.配置培养基 工业发酵罐中一般使用液体培养基，便于搅拌、通气，使微生物与营养物质充分接触 发酵工程的基本环节 4.灭菌 发酵是纯培养过程，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉，导致产量大降低，发酵失败。 培养基和发酵设备 青霉素生产中被杂菌污染，杂菌分泌青霉素酶，将青霉素分解。 对生产环境需进行消毒处理 对通入的空气进行灭菌 所用菌种多是单一菌种,一旦有杂菌污染, 可能导致产量大大降低 避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量 灭菌原因： 灭菌目的： 灭菌对象： 实例： 选育高产菌种 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 地位： 注意事项： 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。 ① 随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程； ② 要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。 ③ 及时添加必需的营养组分， 发酵工程的基本环节 5.接种 6.发酵罐内发酵 （6）发酵罐内发酵需要注意哪些问题？ 原因： 实例： 使用发酵罐优点： ①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸 ②在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺 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。 均有___________________，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_______和______，还可以进行___________，使发酵全过程处于__________。 计算机控制系统 监测 控制 反馈控制 最佳状态 发酵工程的基本环节 装置 编号 主要用途 A1-A3 A4 B1-B5 C1 C2 C3 D1 D2 电动机D1 排气管C3 pH计B3 冷却水排出口C2 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮D2 生物传感器装置B4 空气入口A4 放料管A2 A3阀门 A1培养物或营养物质的加入口 B1观察孔 B2取样管 B5温度传感器和控制装置 C1冷却水进入口 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 通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及过程，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 电机带动叶轮转动搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热 发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节 活动三情景模拟:你是一名发酵工程师，在进行青霉素生产时应该监控哪些发酵条件?目的是什么? 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 抽取样本进行检测 调节罐温 （放气）调节罐压 使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热 控制溶解氧 发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节 发酵完成后，发酵液中除了青霉素，还有菌体、杂质等，如何提取高纯度青霉素? 7.分离、提纯产物 ①微生物细胞本身: 发酵结束之后,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥 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。 ②代谢物: 发酵产品 青霉素的特性: 对温度和pH敏感 易溶于有机溶剂 水溶性差 选育高产菌种 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 发酵工程的基本环节 8.获得产品 进行精制、干燥，获得青霉素成品 思考讨论:对于青霉素发酵时排出的气体和产生的废弃培养液，工厂应该怎么处理? 在进行发酵生产时，青霉菌及其代谢物中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。 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？ 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。 发酵工程的基本环节分析 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。 在发酵工程：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。 发酵工程的优点： 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。 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。 过渡 发酵工程的基本环节分析 发酵工程的应用 在食品工业上的应用 ① 生产传统的发酵产品 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 发酵工程的应用 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。 发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程： 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 冷却 过滤 装瓶 装罐 储存罐 发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程： 加啤酒花 冷却 接种 过滤 发芽 1 焙烤 2 碾磨 3 糖化 4 蒸煮 5 发酵 6 消毒 7 终止 8 主发酵 后发酵 过程概述： （1）啤酒的发酵过程分为___________和____________两个阶段； （2）主发酵阶段完成__________________________________________________ （3）后发酵的条件____________________________________________________ 主发酵 后发酵 酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成 低温、密闭的环境下储存一段时间 发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程： 加啤酒花 冷却 接种 过滤 发芽 1 焙烤 2 碾磨 3 糖化 4 蒸煮 5 发酵 6 消毒 7 终止 8 主发酵 后发酵 (4)图中③的作用是_____________________________________________。 (5)图中④的作用是_____________________________________________。 (6)图中⑤的作用是_____________________________________________。 (7)图中⑥的作用是_____________________________________________。 (8)图中⑦的作用是_____________________________________________。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉水解形成糖浆。 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。 发酵工程的应用 在食品工业上的应用 ② 生产食品添加剂 常用的几类食品添加剂 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 添加了柠檬酸的饮料 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 食品添加剂的作用： 发酵工程的应用 在食品工业上的应用 ② 生产食品添加剂 淀粉 淀粉酶 葡萄糖 黑曲霉 柠檬酸合成酶 谷氨酸棒状杆菌 发酵 谷氨酸 味精 处理 氧气 实例2——味 精 柠檬酸 实例1——柠檬酸 发酵工程的应用 在食品工业上的应用 ③ 生产酶制剂 常见酶制剂 α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 酶制剂应用 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品产量等。 酶制剂来源 少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产。 发酵工程的应用 在医药工业上的应用 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 发酵工程的应用 在医药工业上的应用 ① 生产微生物肥料 微生物肥料： 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。 常见微生物肥料： 根瘤菌肥、固氮菌肥 发酵工程的应用 在医药工业上的应用 ② 生产微生物农药 微生物农药的作用: 防治类型: 实例 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 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 属于生物防治 发酵工程的应用 在医药工业上的应用 ③ 生产微生物饲料 微生物饲料原理： 常见微生物饲料： 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。 单细胞蛋白应用——食品添加剂、微生物饲料； 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 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快。 发酵工程的应用 在其他方面的应用 ③ 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 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。解决资源短缺与环境污染问题。 极端微生物的利用：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。 发酵工程的应用 发酵工程的应用 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。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。 生产传统发酵食品 生产食品添加剂 发酵工程的基本环节 生产酶制剂 采用基因工程的方法 直接对菌种进行改造 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 发酵工程的应用 食品工业 医药工业 农牧业 其他方面 接种 灭菌 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 小结 Lavf59.27.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf57.71.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $