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1章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 问题探讨 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，一瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。 讨论：在工业上，青霉素是怎样生产的呢？ 发酵工程 1 发酵工程的基本环节 【自主学习】阅读教材P22-23页，思考下列问题： 1.什么是发酵工程？ 2.发酵工程的一般环节包括？中心环节是？ 3.发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？ 4.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？ 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。 方法 技术手段 主要为微生物细胞本身或其代谢产物 涉及方面 发酵工程的基本环节 1.发酵工程的定义： 2.发酵工程的基本环节： 配置培养基 选育菌种 扩大培养 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 生产柠檬酸 生产啤酒 生产味精 黑曲霉 啤酒酵母 谷氨酸 棒状杆菌 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 现代发酵工程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、　　　　　、罐压、通气量、搅拌、泡沫和　　　等进行监测和控制；还可以进行　　控制，使发酵全过程处于最佳状态。 发酵罐内发酵 (中心环节) 工工业发酵罐接种量大，发酵之前需对菌种进行扩大培养。 （液体培养基） ①发酵用菌种多为单一菌种，杂菌混入可能影响产量 ②培养基和发酵设备都必须灭菌。 ①从自然界筛选 ②通过诱变育种 ③基因工程育种获得 ①选择原料（一般为低成本、易获取的天然原料）配制培养基 ②培养基配方需要反复实验 生产青霉素 黄青霉 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。 灭菌 产酸量高的黑曲霉，基因工程改造的啤酒酵母 发酵罐内发酵 —发酵工程的中心环节 1.三大要求： ①要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等以了解发酵进程。 ②要及时添加必需的营养组分。 ③要严格控制发酵温度、pH、溶解氧等发酵条件。 2.实现方式：计算机控制系统 a.能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。 b.还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态 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 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 1.控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养 2.通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程。 3.取样器也可以通过取样判断发酵状态和程度。 4.使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。 分离、提纯产物 微生物细胞本身 采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥 代谢物 根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施 活性酵母 益生菌制剂 啤酒 味精 思考：发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？ 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。 例如：（谷氨酸的发酵生产） 中性和弱碱性条件会积累谷氨酸； 酸性条件会形成古氨酰胺和N-乙酰古氨酰胺。 【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？ 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。 ①要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制 ②同时及时添加必要的营养组分。 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。 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。 沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换 液相层析法、结晶法 质量检查 合格后才能成为正式产品 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？ 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。为了减少或避免污染物的产生和排放要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。 1.我国科学家以玉米芯为原料发酵生产乳酸，用于合成聚乳酸面料。该工艺流程主要包括：选育菌种→配制培养基（含原料预处理）→控制发酵罐发酵过程→分离提纯产物。下列叙述错误的是（　　） A．可通过诱变育种选育耐酸的乳酸菌生产菌株 B．在玉米芯酶解预处理的过程中须严格灭菌 C．系统通过反馈调控使罐内发酵处于最佳状态 D．分离提纯乳酸时，通常先过滤或离心除去菌体 B 课 堂 检 测 2 发酵工程的应用 【自主学习】阅读教材P24-27页，思考下列问题： 1.发酵工程的特点有哪些？ 2.发酵工程应用在哪些方面？ 3.啤酒工业化生产包括哪些过程？ 4.什么是单细胞蛋白？有什么作用？ 1.发酵工程的特点： （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 （5）容易处理 2.发酵工程的应用： （1）食品工业 （2）医药工业 （3）农牧业 （4）其他方面 发酵工程的应用 食品工业上的应用 微生物最早开发和应用的领域 1.生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等 实例1：生产酱油 实例2：酿酒 大豆 小分子肽和氨基酸 酱油 霉菌产生蛋白酶 淋洗调制 谷物、水果 酒精+CO2 酵母菌 无氧条件 各种酒类 明显提高产品的产量和质量 发芽 1 3 焙烤 8 碾磨 5 糖化 蒸煮 4 7 发酵 2 消毒 6 终止 阅读课本P24，对啤酒的工业化生产流程进行排序 1 3 8 5 4 7 2 6 答案： 【思考 讨论】 啤酒的工业化流程 产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌 加啤酒花 讨论1：酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ 主发酵 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 后发酵 冷却 过滤 接种 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 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 “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。 讨论2：发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，这是发生了什么变化吗？ 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 2.生产各种各样的食品添加剂 作用：增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。 实例1：柠檬酸 实例2：味精 淀粉 黑曲霉 葡萄糖 柠檬酸 柠檬酸合成酶 淀粉 酶 谷氨酸 棒状杆菌 谷氨酸 味精 发酵 氧气 处理 添加剂类型 添加剂类型 举例 酸度调节剂 酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 增味剂 增味剂 5`-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 着色剂 着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 增稠剂 增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 防腐剂 防腐剂 乳酸链球菌、溶菌酶 3.生产酶制剂 少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。 酶制剂： 果胶酶 脂肪酶 α-淀粉酶 β-淀粉酶 氨基肽酶 … … 酶制剂的作用： 食品的直接生产 改进生产工艺 简化生产过程 提高产品产量 延长食品储存期 改善产品的品质和口味 医药工业上的应用 青霉素的发现和产业化生产之后，发酵工程逐步扩展到其他抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂的等生产领域。 1.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。 例如：利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素； 利用基因工程改造的微生物生产疫苗。 病原体的 抗原基因 转入 微生物 发酵工程 疫苗 基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 2.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。 例：青霉素高产菌株的培育 直接改造微生物 发酵工程 青霉素 3.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。 农牧业上的应用 1.生产微生物肥料 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。 例：根瘤菌肥、固氮菌肥 2.生产微生物农药 利用微生物或其代谢物来防治病虫害。 苏云金杆菌(Bt毒蛋白) 防治80多种农林害虫 白僵菌(真菌) 防治玉米螟、松毛虫 放线菌 (井冈霉素) 防治水稻枯纹病 生物防治 3.生产微生物饲料 微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。 例：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：食品添加剂、微生物饲料。 例：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。 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 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。 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。 在其他方面的应用   发酵工程 传统发酵技术 不 同 点 菌种 通过微生物 技术筛选或其它技术生产的优良菌种，大多是 菌种 原材料中天然存在的 菌种 发酵方式 发酵为主 固体发酵或________发酵为主 对发酵条件的控制 严格______操作，防止杂菌污染。通过 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 污染。对发酵条件不能严格控制，易受 影响。 生产规模和产品 生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本____，产物_____，产量_____。 通常是 或作坊式的，产量低。生产往往受 和原料限制。产品风味品种比较_____，质量 。 相同点 都是利用了__________的作用 联系 发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的 纯培养 单一 混合 液体 半固体 无菌 现代工程 杂菌 外界条件 低 多样 高 家庭式 季节 单一 不稳定 微生物 2.（不定项）下列有关发酵工程的叙述，错误的是（     ） A．发酵工程的产品是指通过微生物的发酵作用得到的相关产物 B．啤酒的工业化生产过程中，糖化的目的是使淀粉分解，形成糖浆 C．发酵工程的中心环节是选育性状优良的菌种，以缩短生产周期 D．用单细胞蛋白制成的微生物饲料，是通过发酵工程从微生物细胞中提取的 ACD 课 堂 检 测 3.微生物技术及发酵工程的发展在环境污染治理及食品加工制造方面有着重要作用。根据相关要求回答下列问题。 Ⅰ、利用微生物降解污染物成为环境治理的重要方法之一、工业污水中含有的多环芳烃类化合物会造成农田土壤污染，围绕污染土壤修复的微生物筛选，回答下列问题。 (1)为了获得能降解多环芳烃化合物的菌株，配制的培养基中______________是唯一碳源。 (2)在分离纯化过程中，土壤样品经梯度稀释后再涂布平板，原因是________________。如果分离纯化菌株不是纯培养物，除稀释涂布平板法之外，还可以采用___________法进一步分离纯化。 多环芳烃类化合物 防止浓度过高，不易分离出单菌落 平板划线法 课 堂 检 测 (3)为进一步提高菌株降解多环芳烃的效率，可采用物理化学（如紫外线、亚硝酸钠等）等诱变方法进行微生物育种，其原理是_____________。 Ⅱ、胡玉美蚕豆酱是豆瓣经过发酵后，大分子物质经过微生物代谢转化成多肽、氨基酸、脂肪酸等，从而具有独特的风味，传统蚕豆酱制作流程是蚕豆→去皮→浸泡→蒸熟、冷却→接种→发酵→蚕豆酱。请回答下列问题： (4)传统蚕豆酱制作过程中，蚕豆为微生物生长发育提供___________（至少答出两点），蚕豆蒸熟、冷却的作用是__________________________________。 基因突变 碳源、氮源、无机盐 蒸熟可以杀死部分微生物，冷却可避免高温杀死接种的微生物 课 堂 检 测 $