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 课堂导入 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，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160万单位青霉素注射剂的价格只要1元左右。 在工业上，青霉素是怎样生产的？ 思考 通过发酵工程生产 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。 发酵工程的基本环节 Basic Steps of Fermentation Engineering 选育菌种 配置培养基 扩大培养 灭菌 接种 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 1. 选育菌种 (1)目的： 获得性状优良的菌种 (2)菌种来源 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 (3)实例： ①筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸 ②使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期 一、发酵工程的基本环节 2. 扩大培养 (1)原因： 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。 (2)目的： 增加菌种数量，缩短生产周期 (3)方法： 将培养到生长速度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 (1)类型： 发酵工程一般使用液体培养基 (2)培养基应包括： 碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求 (3)确定配方的方法： 要经过反复试验才能确定 用于扩大培养（少）和发酵罐内发酵（多） 一、发酵工程的基本环节 4. 灭菌 (1)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 (2)对象： 培养基和发酵设备 (3)实例： 在青霉素生产过程中混入杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。 一、发酵工程的基本环节 5. 接种 培养的菌种和灭菌后的培养基加入发酵罐中 大型发酵罐有计算机控制系统，对以下信息进行监测和控制，使发酵全过程处于最佳状态： 温度 pH 溶解氧 罐压 通气量 搅拌 泡沫 营养 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)工作： ①随时检测培养液微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程 ②及时添加必需的营养物质 ③要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件 (2)原因： 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 (3)实例： 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。 9 一、发酵工程的基本环节 6. 发酵罐内发酵 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 阀门 冷却水进入口 温度传感器 和控制装置 取样管 培养物或营养物质的加入口 观察孔 发酵液 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。 一、发酵工程的基本环节 7. 分离、提纯产物 发酵产物不同分离方法也不同 发酵产品 发酵产品是菌体本身 发酵产品是代谢产物 根据其性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行分离、提纯 采用过滤、沉淀等方式进行分离、提纯 8. 获得产品 一、发酵工程的基本环节 思考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原料方面：来源广，低成本、转化率高 ②产物方面：目的产物多，副产物少 ③菌体方面：繁殖快、代谢旺盛、菌种不易变异、退化 ④设备方面：发酵条件容易控制 思考2 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？ 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。 12 1、(多选)虾青素具有抗衰老、抗癌、预防炎症等功效，红法夫酵母菌是天然能产虾青素的酵母菌，研究发现其细胞生长的最适 pH 为 6.0，虾青素形成的最适 pH 为4.0。下列有关利用发酵工程工业化生产虾青素的叙述，正确的是（ ） A. 选育并分离高产红法夫酵母菌是发酵工程的首要环节，常用固体培养基 B. 要想提高虾青素产量，需通过反复试验确定培养基中碳源、氮源、水和无机盐等的比例 C. 对酵母菌进行扩大培养时，需要使用液体培养基、隔绝空气并调pH为6.0 D. 发酵罐内发酵是生产虾青素的中心环节，需随时监测和控制温度、pH等 ABD 课堂小测 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 二、发酵工程的应用 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 在农牧业上的应用 在其他方面的应用 发酵工程的应用 发酵工程的特点 发酵工程 的应用 食品工业 生产传统的发酵产品 酱油的生产 酒类的生产 生产食品添加剂 生产酶制剂 医药工业 生产抗生素、氨基酸、激素和免疫调节剂等 生产疫苗 农牧业 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 其他方面 二、发酵工程的应用 1. 在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品： 例1 工业生产酱油 霉菌产生蛋白酶 淋洗 调制 大豆蛋白质 小分子肽和氨基酸 酱油 例2 工业生产酒类 酿酒酵母 28℃ 过滤 消毒 谷物、水果 酒精 + CO2 各种酒 啤酒的工业化生产流程 二、发酵工程的应用 1 发芽 大麦种子发芽，释放淀粉酶。 糖化罐 大麦 水 啤酒的工业化生产流程 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。 防止种子继续生长，消耗有机物 主发酵 糖浆 啤酒花 冷却 瓶装 罐装 储存罐 二、发酵工程的应用 啤酒的工业化生产流程 5 蒸煮 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，延长保存期。 8 终止 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 过滤 主发酵 后发酵 大部分糖的分解、酵母菌的繁殖 和代谢物的生成 低温、密闭的环境下储存一段时间 一、发酵工程的基本环节 思考3 酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ 通气：使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖 密封：使酵母菌进行酒精发酵产生酒精 思考4 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？ 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸 精酿 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。“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高。 20 二、发酵工程的应用 1. 在食品工业上的应用 (2)生产各种各样的食品添加剂： 例3 工业生产柠檬酸 黑曲霉产生 淀粉酶 黑曲霉产生 柠檬酸合成酶 淀粉 葡萄糖 柠檬酸 例4 工业生产味精 谷氨酸棒状杆菌 有氧 处理 淀粉、糖蜜 谷氨酸 味精 21 二、发酵工程的应用 1. 在食品工业上的应用 (2)生产各种各样的食品添加剂： 食品添加剂的作用： ①增加食品的营养； ②改善食品的口味、色泽和品质； ③延长食品的保存期 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 乳酸链球菌素、溶菌酶 食品添加剂 ≠ 违法添加物 二、发酵工程的应用 1. 在食品工业上的应用 (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 实例： α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等 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。 二、发酵工程的应用 2. 在医药工业上的应用 (1)发酵工程 生产的药物 ①抗生素 ②氨基酸 ③激素 ④免疫调节剂 青霉素（治疗脑膜炎、肺炎） 精氨酸（治疗高氨血症） 生长激素释放抑制激素（治疗肢端肥大症） (2)基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 动植物的基因 转入 微生物 发酵工程 直接改造微生物 药 物 病原体的抗原基因 转入 微生物 疫苗 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： 类型： 根瘤菌肥、固氮菌肥等 作用： ①增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长 ②抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生 原理： 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 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： 原理： 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 地位： 生物防治的重要手段 微生物或生产出的药物 防治对象 苏去金芽孢杆菌 80多种农林虫害 白僵菌 玉米螟、松毛虫等 一种放线菌生产的抗生素——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 (3)生产微生物饲料： 原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 实例： ①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，用其制成的微生物饲料，使家畜、家禽增重快，产奶/产蛋量显著提高。 单细胞蛋白 ≠ 蛋白质 二、发酵工程的应用 3. 在农牧业上的应用 (3)生产微生物饲料： 原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 实例： ②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。 二、发酵工程的应用 4. 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、乙烯等能源物质已取得成功。 (2)将极端微生物应用于生产实践： 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。 粮食 环境 能源 健康 2、由于发酵工程生产条件温和、原料来源丰富、价格低廉等，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，下列有关发酵工程在食品工业上应用的描述，正确的是（ ） A. 日常生活中食用的酱油的制作以大麦为主要原料，利用产蛋白酶的霉菌的作用，将原料中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸 B. 啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，其中，酵母菌的繁殖在主发酵阶段完成，大部分糖的分解和代谢物的生成在后发酵阶段完成个 C. 味精是谷氨酸棒状杆菌在无氧条件下发酵产生谷氨酸，谷氨酸再经过一系列处理而获得的 D. 由于酶制剂催化效率高、专一性强、作用条件温和，因此在使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类以及适宜的温度和pH D 课堂小测 3、下列对发酵工程及其应用的叙述，正确的是 ( ) ①生产谷氨酸需将 pH调至中性偏碱；②发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉等特点；③发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身；④利用发酵工程生产的根瘤菌肥作为微生物农药可以促进植物生长；⑤啤酒的工业化生产过程中，酒精的产生积累主要在后发酵阶段完成；⑥单细胞蛋白是从微生物细胞中提取的蛋白质，可作为微生物饲料等 A.①②③ B.②③ C.②③④ D.②③⑤⑥ A 课堂小测 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $