1.4发酵工程及其应用 课件 高二下学期生物苏教版选择性必修3

第四节发酵工程及其应用第一章

发酵工程情境导入大肠杆菌是与我们日常生活关系非常密切的一类细菌。在科学家发现它们之后相当长的一段时间内，它们一直被当作正常肠道菌群的组成部分，而不是致病菌。直到0世纪中叶，人们才认识到_些特殊类型的大肠杆菌具有相当强的毒性。由于它们紧殖得非常快，一旦传播开来将造成严重疫情。那么，它们繁殖得有多快呢？积极思维大肠杆菌的繁殖有多快？事实：1大肠杆菌是原枝核生物，细胞拟核内有一个环状的双链DNA分子。细胞分裂前，DNA分子会进行复制。分裂时一般是以简单的二分裂方式进行无性繁殖的。2.在适宜条件下，大肠杆菌分裂一次仅番要20-30min。以分裂-次需要20min为例，在最佳条件下，一个大肠杆菌8h后理论上可达到1600多万个，10h后可超过10亿个…3.实际上，大肠杆菌在生长和繁殖过程中，会消耗大量的营养物质，环境pH也会发生政变，所以大肠杆菌不可能始终如上面的描述般大量增殖。积极思维大肠杆菌的繁殖有多快？思考：1.计算

人的肠道环境非常适合大肠杆菌的生长和繁殖。利用计算器计算一个大肠杆菌在人的肠道中24h后，理论上能达到的数量。2.推理

大肠杆菌是一类细菌。基于日常生活中多种细菌影响我们生活的实例（如肉汤腐败），推理细菌除了繁殖快之外，可能还会具有的特征。繁殖快是细菌等微生物的一项特定功能，发酵工程还充分利用微生物的其他特定功能，为人类生产各类有用的产品或提供相关服务。那么，微生物还有哪些特定功能呢？这些特定功能又是如何被发酵工程所利用的呢？发酵工程利用了微生物的特定功能微生物的种类主要包括：细菌、真菌和病毒等。葡萄球菌枯草杆菌霍乱弧菌通过前面的活动，我们已经感悟到微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能。在发酵工程液体培养中，接种后细菌细胞数量会呈几何级数增长。微生物体形微小、类群庞杂、种类繁多，它们还具有一些共同的特定功能和特点。发酵工程利用了微生物的特定功能微生物具有吸收多、转化快的特定功能。资料表明，能够发酵乳糖的大肠杆菌在1h内可分解重达其自重1000~10000倍的乳糖；产朊假丝酵母合成蛋白质的能力要比大豆强100倍。微生物吸收多、转化快的特定功能为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障。产朊假丝酵母微生物具有吸收多、转化快的特定功能。微生物具有适应性强、易变异的特定功能。这为通过育种大幅度地提高菌种的生产性能提供了保障。例如，1943年时，每毫升青霉素发酵液仅能生产约20单位青霉素，而目前每毫升青霉素发酵液已能产出超过5万单位的青霉素。青霉菌发酵工程利用了微生物的特定功能微生物还具有种类多、分布广的特点。据鉴定，已发现的微生物有20多万种，且不断有新种被发现。许多微生物分别具有抵抗冷、热、酸、碱、高压、高辐射和适应有氧或无氧等环境的特定功能。这些微生物可分布于土壤、水体、大气等各种环境，甚至分布于冰川、火山口等极端环境，可根据需要在发酵工程中将这些特定功能加以利用。微生物种类繁多不仅体现在物种的种类上，还体现在微生物的生理代谢类型上。例如，有能分解石油或纤维素的微生物，有能通过化能合成作用或光合作用产能的微生物，有能分解氰化物、酚、多氯联苯等有毒物质的微生物，有能合成各种复杂有机物的微生物。潘多拉病毒黑曲霉菌现已发现的能水解纤维素的微生物有绿色木霉、变异青霉、黑曲霉、根霉等。它们都属于霉菌。发酵工程利用了微生物的这些特定功能生产多种多样的产品，且应用范围不断扩大。有资料表明，仅利用大肠杆菌即可生产2000-3000种蛋白质；人类发现的抗生素已经超过9000种，其中绝大多数来自微生物。发酵工程利用了微生物的特定功能青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。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，1瓶规格160万单位的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?发酵工程的一般过程采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术称为发酵工程。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)大规模生产发酵产品微生物的特定功能现代化工程技术接种选育菌种制备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。生产柠檬酸生产啤酒生产青霉素生产味精黑曲霉啤酒酵母黄青霉谷氨酸棒状杆菌在菌种确定之后，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。性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。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。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。现代发酵工程使用的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、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。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放料管阀门培养物或营养物质的加入口观察孔取样管温度传感器和控制装置冷却水进入口

这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。

环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可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。发酵工程的一般过程如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可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。发酵工程的一般过程接种选育菌种制备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。发酵工程的一般过程电动机D1排气管C3pH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A2A3

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冷却水进入口装置编号主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2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含量通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，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进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。发酵罐示意图发酵工程的一般过程分离、提纯，获得产品（1）如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品。（2）如果产品是代谢物，可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。发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理?二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。如果发酵产品是微生物细胞本身，如何分离得到产品？如果是代谢物呢？发酵产品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、分离和纯化措施发酵工程的一般过程发酵工程的优点产物专一原料来源丰富且价格低廉生产条件温和废弃物对环境的污染小和容易处理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。发酵工程的一般过程积极思维什么是分批发酵方式？事实：1.目前有些产品的生产采用分批发酵方式，即一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式。2.在分批发酵过程中，单细胞微生物（如细菌）的生长状况随着发酵罐中各种物质浓度的变化表现出一定的规律。根据不同培养时间里细菌数量的变化，可以作出一条反映细菌在整个培养期间数量变化规律的曲线，称为生长曲线。该曲线说明，单细胞微生物细胞群体（如细菌）在整个培养过程中主要经历了延滞期、对数期、稳定期和衰亡期等生长时期。对数期时间/h延滞期O1020304050细菌浓度/（g·L-1）稳定期衰亡期积极思维什么是分批发酵方式？思考：1.分析

尝试推测单细胞微生物生长曲线形成的原因。2.预测

描述单细胞微生物（如细菌）在连续发酵的状态下的生长情况。延滞期：细菌等微生物在刚接种到一个新的环境之后，需要经历一个短暂的适应时期，延滞期内微生物一般不增殖。对数期：接着，微生物进人对数期，此时细胞分裂增殖旺盛，活微生物数量增长速率最高。随着生长速率和数量的增加，微生物浓度呈几何级数增长。由于此时微生物的代谢活性高、生命力强，在生产上常作为“种子”，是科学研究中理想的实验材料。稳定期：随后微生物的生长速率维持相对稳定，这时如能及时补充营养物质或分离代谢产物，改善培养条件，可延长稳定期。衰亡期：随着培养基中营养物质的消耗，代谢产物的积累和pH等环境条件的变化，微生物生长受到影响，生长速率降低，死亡速率逐步增加，活的微生物量逐步减少。此时微生物代谢活性降低，呈现衰老和自溶现象。为了更好地克服分批发酵所存在的缺点，技术人员又设计了连续发酵的方式，即在一个培养基可流动的装置（如发酵罐）中，以一定的速率不断地放出老的培养基和代谢产物，同时不断添加新的培养基和调节相关发酵条件（如pH），使发酵过程保持相对稳定。连续发酵有单罐连续发酵和多罐连续发酵等方式。优点：简化了发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率和单位时间产量等。应用：酒精、丙酮和丁醇等产品的生产中发酵工程的一般过程发芽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。将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。淀粉水解形成糖浆。啤酒的工业化生产：淀粉→麦芽糖→葡萄糖发酵工程的一般过程蒸煮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接种发酵工程的一般过程完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成在低温、密闭的环境下，储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。啤酒的发酵生产过程中，菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等使啤酒的产量和质量明显提高发芽

焙烤

碾磨

糖化

蒸煮

发酵

消毒

终止主发酵后发酵发酵工程的一般过程发酵工程的一般过程类别“精酿”啤酒“工业”啤酒原料是否添加食品添加剂麦芽汁浓度发酵时间特点只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等不添加添加

较高，口味浓郁较低，口味清淡长，可达2个月短，通常7天左右产量低、价格高产量高、价格低发酵工程的一般过程我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。（1）发酵工程一般包括菌种的选育、_________、培养基的配制、灭菌、接种、发酵、产品的分离、提纯等方面。啤酒酵母的新陈代谢类型是_________________。（2）在酿酒过程中常加入_________（填某种植物激素）以缩短大麦发芽的时间，从而减少有机物的消耗。焙烤阶段应注意控制温度，不能使_________失活。扩大培养

异养兼性厌氧型赤霉素淀粉酶现学现用（3）发酵阶段的底物是_________，发酵液和发酵设备都必须经过严格的_________处理。（4）请写出一条啤酒的发酵生产过程中，可以使啤酒的产量和质量得到明显提高的工程手段：（5）请写出一条发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等领域得到广泛应用的原因：葡萄糖灭菌

随时检测培养液中的酵母菌数量、产物浓度；及时添加必需的营养组分；严格控制发酵温度、发酵时间、pH、溶解氧含量、罐压和搅拌速率等发酵条件

生产条件温和；原料来源丰富且价格低廉；产物专一；废弃物对环境污染小、易处理现学现用（1）发酵工程可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素，青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。（2）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例：生产生长激素释放抑制激素。例：生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物。例：生产乙肝疫苗的方法。发酵工程的应用——医药改造菌种02工程菌01疫苗03利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素未来可能用微生物来生产过去只能从植物中提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产疫苗问题:阅读课本40-41页，明确发酵工程在医药工业上有哪些应用？发酵工程的应用——医药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a.酱油的生产谷物或水果酿酒酵母各种酒类b.各种酒类的生产微生物最早开发和应用的领域；产量和产值都居于发酵工业的首位。发酵工程的应用——食品实例：柠檬酸是一种食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得；由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；生产各种各样的食品添加剂：许多食品添加剂都能通过发酵工程生产。添加了柠檬酸的饮料增加食品的营养;改善食品的口味、色泽和品质;延长食品的保存。食品添加剂的作用表1-2常用的几种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、溶菌酶发酵工程的应用——食品食品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酶制剂的作用α-淀粉酶β-淀粉酶果胶酶氨基酸肽酶脂肪酶…

…酶制剂生产酶制剂：少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产。发酵工程的应用——食品生产微生物肥料1.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；2.有的还可以抑制土壤中病原微生物的生长，减少病虫害的发生。有机酸生物活性物质微生物肥料的作用：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的种类：发酵工程的应用——农业生产微生物农药微生物农药的作用机理：利用微生物或其代谢物来防治病虫害实例：苏云金杆菌→

防治80多种农林虫害。白僵菌→防治玉米螟、松毛虫等虫害。井冈霉素→防治水稻枯纹病。防治类型：生物防治发酵工程的应用——农业生产微生物饲料微生物含有丰富的

。且繁殖速度快。蛋白质

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

，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。微生物菌体原理：实例1：单细胞蛋白=微生物菌体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。实例2：单细胞蛋白含有丰富的蛋白质、糖类、脂质和维生素等单细胞蛋白发酵工程的应用——农业利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质②对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温等环境）的利用利用嗜热菌、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①解决资源短缺与环境污染问题发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决

、

、

和

等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。粮食环境能源健康发酵工程的应用——其他

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发酵工程的应用——其他食品工业医药工业生产传统发酵食品农牧业其他方面生产食品添加剂发酵工程应用生产酶制剂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课堂小结1.下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是()A.发酵工程的基本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等B.接种是发酵工程的中心环节，接种必须在无菌条件下进行C.发酵过程中，不能再向发酵罐中添加营养物质，以免造成污染D.整个发酵过程中通过人工方法对发酵过程中温度、pH、溶解氧等进行检测和控制，从而使发酵过程处于最佳状态随堂训练答案：A解析：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术。发酵工程的基本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等，A正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，B错误；在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程，同时要严格控制发酵条件，如温度、pH、溶解氧，故发酵过程中可能需要适时添加营养物质等，C错误；现在，发酵工程已经发展到可以利用计算机进行自动调节控制的阶段，D错误。2.由于发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一等特点，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，错误的是()A.酱油是以大豆为主要原料，利用霉菌制作而成的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C.味精是由谷氨酸棒状杆菌发酵产生的谷氨酸经过一系列处理获得的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答案：B解析：酱油是以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌（如黑曲霉），将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制而成的，A正确。啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成；主发酵结束后，在低温、密闭环境下储存一段时间属于后发酵阶段，B错误。谷氨酸棒状杆菌在中性和弱碱性条