1.3发酵工程及其应用课件-高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

1.3

发酵工程及其应用第1章

发酵工程

新课导入——从社会中来

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，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。1.那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢?

通过发酵工程生产2.

什么是发酵工程？一、发酵工程的基本环节1.发酵工程：利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。对发酵原理的认识微生物纯培养技术的建立密闭式发酵罐的成功设计严格控制环境条件(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工程技术一、发酵工程的基本环节1.发酵工程：利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。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2.基本环节：一、发酵工程的基本环节选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种罐内发酵分离提纯获得产品2.

基本环节：（1）选育菌种①目的：②菌种来源：获得性状优良的菌种a.自然界中筛选b.诱变育种c.基因工程育种（常规菌）（工程菌）③实例：a.筛选产酸量高的

用来生产柠檬酸；b.通过诱变育种筛选高产青霉素菌株；c.使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期；黑曲霉产柠檬酸量高的黑曲霉基因工程改造的啤酒酵母菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。一、发酵工程的基本环节2.基本环节：（2）扩大培养①目的：②原因：③具体做法：获得更多菌种，缩短生产周期。工业发酵罐的体积一般为几十立方米到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。（液体培养基）选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种罐内发酵分离提纯获得产品将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。（3）配制培养基①原则：a.培养基应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养

；b.营养物质配比合理，物理、化学条件适宜，有利于微生物大量合成产物;c.配制的培养基要经过反复试验才能大规模使用。一、发酵工程的基本环节2.基本环节：选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种罐内发酵分离提纯获得产品（4）灭菌①目的：

②实例：避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量。a.杂菌与菌种之间形成种间竞争关系b.杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。（培养基和发酵设备都必须经过严格灭菌）一、发酵工程的基本环节2.基本环节：选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种罐内发酵分离提纯获得产品原因（5）接种：（6）罐内发酵将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。①要求：（☆☆发酵工程的中心环节）a.随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等。②

严格控制发酵条件的原因：b.及时添加必需的营养组分，c.要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。一、发酵工程的基本环节2.

基本环节：选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵分离提纯获得产品a.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；b.严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态（6）罐内发酵③不同发酵条件的影响实例：（☆☆发酵工程的中心环节）一、发酵工程的基本环节2.

基本环节：选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵分离提纯获得产品谷氨酸发酵a.在中性和弱碱性条件下会积累

；b.在酸性条件下则容易生成

和

；谷氨酸谷氨酰胺N-乙酰谷胺酰胺☆谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其与有氧呼吸有关的酶主要存在于细胞膜上。

c.其中C:N的比值会影响谷氨酸发酵过程

C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。谷氨酸棒状杆菌抽取样本进行检测调节罐温调节罐压控制溶解氧。需氧发酵可通入无菌空气①增加溶氧量②使微生物与发酵液充分接触（混合均匀），提高原料利用率。控制培养物以一定速度流出发酵罐，实现连续培养观察微生物的生长状况和产品形成电动机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—发酵工程的中心环节发酵罐内发酵装置编号主要用途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。（7）分离、提纯产物：一、发酵工程的基本环节2.基本环节：选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种罐内发酵分离、提纯产物获得产品发酵产物类型获得产品的方法过滤、沉淀等方法适当的提取、分离和纯化措施微生物细胞代谢物（8）获得产品：酱油味精啤酒青霉素根瘤菌一、发酵工程的基本环节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？来源广，低成本、转化率高目的产物多，副产物少繁殖快、代谢旺盛、菌种不易变异、退化发酵条件容易控制；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。②产物方面：④设备方面：③菌体方面：①原料方面：思考•讨论

发酵工程基本环节分析p23项目发酵工程传统发酵技术区别菌种对发酵条件的控制产品处理生产规模和产品分离和提纯产物的方法较多。最后需要进行质量检查不会再对产物进行分离和提纯处理，或仅采用简单沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。通过微生物纯培养技术筛选或其他技术生产的优良菌种，大多是单一菌种原材料中天然存在的混合菌种严格无菌操作，防止杂菌污染。通过现代工程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，容易受到杂菌污染，对发酵条件不能严格控制，易受外界条件影响生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本低，产物多样，产量高通常是家庭式或作坊式的，产量低，生产往往受季节和原料限制，产品风味品种比较单一，质量不稳定3.

发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？二、发酵工程的应用①产物专一②生产条件温和③原料来源丰富且价格低廉④废弃物对环境污染小且容易处理☆发酵工程的特点（优点）1.在食品工业上的应用2.在医药工业上的应用3.在农牧业上的应用4.在其他方面的应用☆发酵工程的应用二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用(1)生产传统发酵产品酱油大豆(主要原料)黑曲霉产生蛋白酶小分子肽和氨基酸淋洗、调制①酱油的生产谷物或水果酿酒酵母无氧条件各种酒类②各种酒类的生产（☆☆是微生物最早开发和应用的领域）二、发酵工程的应用【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程二、发酵工程的应用①发芽②焙烤③碾磨④糖化⑤蒸煮⑥发酵冷却大麦种子发芽，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。淀粉分解，形成糖浆。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。⑦消毒⑧终止过滤过滤、调节、分装啤酒进行出售。①使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和反腐剂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啤酒花【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程二、发酵工程的应用①发芽②焙烤③碾磨④糖化⑤蒸煮⑥发酵⑦消毒⑧终止完成酵母菌的繁殖，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。主发酵后发酵【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程思考1：酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？“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。酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。思考2：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？二、发酵工程的应用【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程二、发酵工程的应用【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程思考3：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？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、价格低二、发酵工程的应用淀粉淀粉酶黑曲霉葡萄糖柠檬酸合成酶柠檬酸二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用(2)生产食品添加剂增加食品的营养，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①作用：谷氨酸棒状杆菌发酵氧气谷氨酸处理味精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②实例：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)生产酶制剂从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。③酶制剂的来源：少数由动植物生产大多数通过发酵工程生产②酶制剂的应用：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。①常见的酶制剂：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。二、发酵工程的应用2.在医药工业上的应用①动植物的基因微生物转入发酵工程药物②直接改造微生物药物微生物③病原体的抗原基因转入疫苗(1)发酵工程生产药物的方法如：利用经过基因改造的微生物生产胰岛素、紫杉醇、青蒿素前体等。如：青霉素高产菌株的培育。如：某种乙型肝炎疫苗的生产。二、发酵工程的应用2.在医药工业上的应用(2)应用的实例①生产抗生素：

例如应用产黄青霉生产青霉素，用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。②生产多种氨基酸：

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。③生产激素：利用基因工程改造的微生物生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。④生产免疫调节剂：例如，利用插入乙型肝炎病毒抗原基因的酵母菌生产乙肝疫苗。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a.利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。b.利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。②常见微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥①原理：二、发酵工程的应用3.在农牧业上的应用(2)生产微生物农药利用微生物或其代谢物来防治病虫害。微生物或代谢产物防治病虫害种类苏云金杆菌80多种农林害虫白僵菌玉米螟、松毛虫一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素）水稻枯纹病①原理：②实例：③防治类型：

生物防治

优点：成本低、无污染、可以维持生态平衡；

缺点：防治速度慢；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①原理：微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。②实例：实例1——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；单细胞蛋白应用：单细胞蛋白生产过程：食品添加剂、微生物饲料；单细胞蛋白成分：不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质实例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。二、发酵工程的应用4.在其他方面的应用(2)对极端微生物的利用(1)解决资源短缺和环境污染问题①利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等；②利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾；③利用发酵工程使烟气脱硫；④还可以利用微生物工程除臭等