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

二战期间最伟大的发明——青霉素 是世界上第一个应用于临床的抗生素。 青霉素 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。 早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到 如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂 那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 人教版 选择性必修3 第1章 第3节 3 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。 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。 一、发酵工程的基本环节 6 接种 选育菌种 配制培养基 扩大培养 灭菌 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 发酵工程的中心环节 一、发酵工程的基本环节 1.选育菌种 （1）选育目的 获得_______________ 性状优良的菌种 （2）方法 自然界直接筛选性状优良的常规菌种； 通过诱变育种或基因工程育种获得。 （3）实例 筛选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸（自然界）； 使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒（基因工程） 如青霉素高产菌株的获取（诱变育种）。 产酸量高的黑曲霉 一、发酵工程的基本环节 1.选育菌种 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。 一、发酵工程的基本环节 2.扩大培养 （1）目的 获得_____________，确保有充足的菌体参与发酵。 更多的菌种 （2）原因 工业发酵罐的体积一般比较大(几十立方米到几百立方米)，因此需要接入的菌种总体积大（几立方米到几十立方米）。 （3）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。） 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 一、发酵工程的基本环节 3.配制培养基 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基 （1）配制原则 目的明确、营养协调、pH适宜 （根据菌种的代谢特点，选择不同的材料配制培养基） （2）营养构成 碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求等 （3）注意 在生产实践中，培养基的配方要经过________才能大规模应用。 反复试验 不断优化培养基（成分、比例等） 从物理性质上分，工业生产用的培养基通常是 。 液体培养基 一、发酵工程的基本环节 4.灭菌 （1）目的 避免因______污染而影响产品的品质和产量。 杂菌 （2）原因 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。) 培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 （3）实例 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 将扩大培养的菌种投放到发酵罐内 一、发酵工程的基本环节 6.发酵罐内发酵 ☆发酵工程的中心环节 ①随时检测培养液中的___________、_________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______、______和________等发酵条件。 微生物数量 产物浓度 温度 pH 溶氧量 ☞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。 例如：谷氨酸的发酵生产：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。 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。 一、发酵工程的基本环节 6.发酵罐内发酵 (1)温度： 通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整。 通过加料装置添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液。 (2)溶解氧： (3)pH： 需氧型：通过空气入口通入空气，并调整 搅拌叶轮转速增加溶解氧。 厌氧型：需封闭空气入口，建立厌氧环境等。 一、发酵工程的基本环节 7.分离、提纯产物 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 8.获得产品 酱油 味精 啤酒 青霉素 根瘤菌 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？ 需要考虑的因素包括： 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。 思考讨论 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。 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。 思考讨论 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。 选育菌种 扩大培养 配置 培养基 灭菌 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 ①从自然界中筛选的常规菌种 ①配置原则：目的明确、营养协调、pH适宜 ①目的：防止杂菌污染 ①检测培养液中的微生物数量、产物浓度等 地位：中心环节 ②通过诱变育种或基因工程育种获得 ②营养构成：水、无机盐、碳源、氮源等 ②对象：培养基和发酵罐 ②及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物 ②代谢物：适当的提取、分离和纯化措施 ③严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件 ③注意：培养基使用前要经过反复试验才能用于大规模生产 条件：环境条件稳定、温和，利于菌种生长繁殖 目的：增加菌种数量 所用培养基：液体培养基或固体培基 ①菌体本身：过滤、沉淀 监控 途径 1.（2025·甘肃·高考真题）我国葡萄酒酿造历史悠久、传统发酵技术延续至今。发酵工程通过选育菌种和控制发酵条件等措施可优化传统发酵工艺，改善葡萄酒品质。下列叙述错误的是（　　） A．传统发酵时，葡萄果皮上的多种微生物参与了葡萄酒的发酵过程 B．工业化生产时，酵母菌需在无氧条件下进行扩大培养和酒精发酵 C．通过诱变育种或基因工程育种能够改良葡萄酒发酵菌种的性状 D．大规模发酵时，需要监测发酵温度、pH值、罐压及溶解氧等参数 B 随堂演练 2.如图是发酵工程生产产品的流程简图。 (1)能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的，①是____________； 高产青霉素菌种是通过②培育的， ②是________，③是细胞工程。 基因工程 诱变育种 随堂演练 (2)④表示______，⑤表示_____。 接种　 灭菌 (3)整个过程的中心阶段是发酵， 在此阶段需要随时取样、检测______________________等，以了解发酵进程，还要及时添加______________，同时严格控制________________________。 微生物数目和产物浓度　 必需的营养组分　 发酵条件(pH、通气量、转速)　 随堂演练 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 (一) 在食品工业上的应用 1.生产传统的发酵产品 二、发酵工程的应用 (一) 在食品工业上的应用 啤酒的工业生产流程 二、发酵工程的应用 发芽 1 3 焙烤 8 碾磨 5 糖化 蒸煮 4 7 发酵 2 消毒 6 终止 1 3 8 5 4 7 2 6 答案： 啤酒的工业生产流程 二、发酵工程的应用 啤酒的工业生产流程 大麦 水 糖化罐 发芽 1 大麦种子发芽， 释放淀粉酶。 2 焙烤 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。 3 碾磨 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 4 糖化 淀粉水解 形成糖浆。 二、发酵工程的应用 蒸煮 5 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。 6 发酵 酵母菌将糖转化为酒精和CO2 7 消毒 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。 8 终止 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 啤酒的工业生产流程 二、发酵工程的应用 啤酒的工业生产流程 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 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。 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。 二、发酵工程的应用 啤酒的工业生产流程 讨论1.与传统的手工发酵相比，在啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？ 菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和质量。 讨论2.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？ 二、发酵工程的应用 啤酒的工业生产流程 讨论2.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？ 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。 (一) 在食品工业上的应用 2. 生产各种各样的食品添加剂 (1)利用黑曲霉发酵生产柠檬酸。 黑曲霉 柠檬酸 淀粉 淀粉酶 葡萄糖 柠檬酸合成酶 (2)利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。 谷氨酸棒状杆菌 谷氨酸 味精 处理 发酵 氧气 (一) 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 乳酸链球菌素、溶菌酶 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 食品添加剂的作用 (一) 在食品工业上的应用 3. 生产酶制剂 α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品品质和口味、延长储存期和提高产量等 少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产 (二) 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 (二) 在医药工业上的应用 生产抗生素 例如应用青霉菌生产青霉素，用于治疗脑膜炎、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。 生产疫苗 例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。 (三) 在农牧业上的应用 生产微生物肥料 利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥 微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的　　　 、　 等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。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。 有机酸 生物活性物质 (三) 在农牧业上的应用 微生物农药是利用　　　或　　　 来防治病虫害的。 微生物农药作为　　　　的重要手段 微生物 其代谢物 生物防治 生产微生物农药 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 苏云金杆菌 80多种农林虫害 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 (三) 在农牧业上的应用 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 生产微生物饲料 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。 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。 （不是细胞提取物、代谢产物） (四) 在其他方面的应用 1.解决资源短缺与环境污染问题 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。 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 2.将极端微生物应用于生产实践 (1)极端微生物： (2)应用 能在极端恶劣的环境（如高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活的微生物。 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。 二、发酵工程的应用 小结 (1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌( ) (2)谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行( ) (3)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺( ) (4)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率( ) × × √ × (5)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理。( ) (6)目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的。( ) (7)现在已经可以通过微生物生产紫杉醇。( ) (8)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体。( ) × × × √ 随堂演练 1.（2025·陕晋青宁卷·高考真题）我国是世界上最大的柠檬酸生产国。利用黑曲霉通过深层通气液体发酵技术生产柠檬酸，流程如下图。下列叙述错误的是（　　） A．淀粉水解糖为发酵提供碳源和能源 B．扩大培养可提供足量的黑曲霉菌种 C．培养基、发酵罐和空气的灭菌方法相同 D．通气、搅拌有利于溶解氧增加和柠檬 C 随堂演练 2.（2024·山东·高考真题）在发酵过程中，多个黑曲霉菌体常聚集成团形成菌球体，菌球体大小仅由菌体数量决定。黑曲霉利用糖类发酵产生柠檬酸时需要充足的氧。菌体内铵离子浓度升高时，可解除柠檬酸对其合成途径的反馈抑制。下列说法错误的是（　　） A．相同菌体密度下，菌球体越大柠檬酸产生速率越慢 B．发酵中期添加一定量的硫酸铵可提高柠檬酸产量 C．发酵过程中pH下降可抑制大部分细菌的生长 D．发酵结束后，将过滤所得的固体物质进行干燥即可获得柠檬酸产品 D 随堂演练 3.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：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。 随堂演练 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。 （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的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产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？ 提示：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。 随堂演练 Lavf59.6.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $