【课件】1.3 发酵工程及其应用课件-2021-2022学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

1、发酵工程及其应用01发酵工程发酵工程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。（教材章前语）大规模生产发酵产品对发酵原理的认识微生物纯培养技术建立密闭式发酵罐设计成功严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)微生物的特定功能现代化工程技术02发酵工程的基本环节选育菌种扩大培养接种灭菌配制培养基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和发酵罐示意图02发酵工程的基本环节选育菌种性状优良的菌种可以加速发酵过程，缩短生产周期生产柠檬酸生产啤酒生产青霉素黑曲霉啤酒酵母黄青霉黑曲霉蛋白酶某镇特产一种

2、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?（P22侧旁思考栏）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决定了生产发酵产品的成败。02发酵工程的基本环节选育菌种方法优点：经济实惠缺点：自发突变频率低，出现优良性状可能性小，需要时间长。自然筛选、诱变育种或基因工程育种自然筛选诱变育

3、种或基因工程育种优点：育种时间短、提高发酵产物纯度、减少副产物缺点：技术要求高扩大培养工业发酵罐体积几十 几百m3几 几十m3接入的菌种总体积思考怎样对菌种进行扩大培养？将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养02发酵工程的基本环节配制培养基灭菌菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。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。灭菌对象培养基和发酵设备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。原因：杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物质抑制菌种生长而使

4、产量下降02发酵工程的基本环节发酵罐内发酵中心环节随时检测培养液微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程。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检测和控制：温度、pH、溶解氧、压强、通气量、搅拌、泡沫和营养等。环境条件不仅影响微生物生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。02发酵工程的基本环节发酵罐内发酵中心环节思考发酵过程中为什么还要控制发酵条件？发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程有重大影响。随着代谢的进行，产热的增加、营养物质的消耗，以及某些酸性和碱性物质的产生，会使温度、p

5、H等发生变化， 这些都会对微生物的生长造成不利影响。02发酵工程的基本环节分离、提纯产物发酵产品是微生物细胞本身过滤、沉淀发酵产品是代谢物根据产物性质采取适当提取、分离和纯化措施思考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、吸附和离子交换等方法；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，

6、都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。萃取、蒸馏、离子交换03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03发酵工程的应用1.在食品工业上的应用生产传统发酵产品酱油大豆(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03发酵工程的应用1.在食品工业上的应用生产传统发酵产品啤酒的工业化生产流程思考讨论发芽12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

7、的麦芽碾磨成麦芽粉。淀粉水解形成糖浆。03发酵工程的应用1.在食品工业上的应用生产传统发酵产品啤酒的工业化生产流程思考讨论蒸煮56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03发酵工程的应用1.在食品工业上的应用生产传统发酵产品啤酒的工业化生产流程思考讨论讨论1.啤酒工业化生产流程及操作目的生产流程操作目的发芽产生淀粉酶分解淀粉焙烤加热杀死胚，终止麦芽生长，减少有机物消耗，保留营养物质，但不使淀粉酶失活碾磨使干燥的麦芽研磨成麦芽粉，便于糖化糖

8、化淀粉酶将淀粉分解，形成糖浆蒸煮产生风味组分；使酶失活；灭菌发酵酵母菌将糖转化为酒精和CO2消毒杀死啤酒中的大多数微生物，延长保存期终止过滤、调节、分装、出售讨论2.啤酒发酵的过程及内容过程内容主发酵酵母菌的繁殖、糖的分解、代谢物的生成，一般510d后发酵低温、密闭环境下储存，一般12个月讨论3.啤酒花的作用1.使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐力。2.形成啤酒优良的泡沫。3.有利于麦芽汁的澄清。4.平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲。03发酵工程的应用1.在食品工业上的应用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-胡萝卜素、红曲

9、黄色素增稠剂黄原胶、-环状糊精、结冷胶防腐剂乳酸链球菌、溶菌酶增加食品的营养延长食品的保存期改善食品的口味、色泽和品质淀粉淀粉酶葡萄糖黑曲霉柠檬酸柠檬酸合成酶谷氨酸棒状杆菌发酵谷氨酸味精处理氧气03发酵工程的应用1.在食品工业上的应用生产酶制剂酶制剂：从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。分 类：胞内酶和胞外酶特 点：易于工业化生产，便于改善工艺、提高质量。举 例：果胶酶；脂肪酶；-淀粉酶；-淀粉酶；氨基酸肽酶03发酵工程的应用2.在医药工业上的应用发酵工程生产的药物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的方法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

10、转入发酵工程药物药物疫苗03发酵工程的应用3.在农牧业上的应用生产微生物肥料微生物肥料的原理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。利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的的发生。常见微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥03发酵工程的应用3.在农牧业上的应用生产微生物农药利用微生物或其代谢物来防治病虫害常见微生物农药：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):防治水稻枯纹病拓展微生物农药防治与化学农药防治的比较项目微生物农药防治化学农药防治防治机

11、理利用微生物或其代谢物来防治虫害利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂等）进行防治优点成本低、无污染、可以维持生态平衡见效快，操作简单缺点防止速度慢成本高、污染环境，不利于维持生态平衡03发酵工程的应用3.在农牧业上的应用生产微生物饲料微生物饲料：以微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白、生物活性小肽类氨基酸、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵饲料。单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体。单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。常见微生物饲料：青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提

12、高免疫力。03发酵工程的应用4.在其他方面的应用a.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。b.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04课后习题1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。(1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。（ ）(2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ ）(3)在发酵工程的发酵环节中,发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。（ ）(4)通过发酵工程可以从微生

13、物细胞中提取单细胞蛋白。（ ）2.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:血红蛋白具有携带O2的能力)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。04课后习题2.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生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？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。3.通过微生物发酵,可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇;将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配,就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调