新教材高中生物选择性必修3课件4：1 3 发酵工程及其应用 - 副本(人教版)

第3节

发酵工程及其应用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。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢?青霉素药品名称规格换算成克青霉素钠80万单位0.48g青霉素钠100万单位0.60g青霉素钠160万单位0.96g青霉素钠400万单位2.40g青霉素钠800万单位4.80g一、什么是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利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，生产对人类有用的物质的技术体系。——发酵工程二、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选育菌种①发酵工程中菌种是关键，优良的菌种是提高发酵产物的质量和产量的首要条件，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生产味精黑曲霉啤酒酵母黄青霉谷氨酸棒状杆菌某镇特产一种美酒，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决定了生产发酵产品的成败。选育菌种②方法自然选育在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变，从而选育出优良菌种的过程。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。自然选育和菌种改良菌种改良采用物理、化学、生物学方法处理目的微生物，使其遗传基因发生变化，使生物代谢途径朝着人们所希望的方向进行，使某些代谢产物过量积累，获得所需的高产、优质和低耗的菌种。优点：育种时间短、提高发酵产物纯度、减少副产物缺点：技术要求高主要包括：诱变育种、基因工程育种、原生质体融合育种等。(2021·广东高考真题)中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜（甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖）为原料，在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值。工艺流程如图。此外，选育优良菌株的方法还有________________________等。(答出两种方法即可)诱变育种、基因工程育种工业发酵罐体积扩大培养在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。几十~几百m3几~几十m3接入的菌种总体积发酵液灭菌①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。②灭菌对象培养基和发酵设备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。对生产环境需进行消毒处理对通入的空气进行灭菌配制培养基在菌种确定之后，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。碳源氮源无机盐生长因子水发酵罐内发酵①发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节②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发酵罐内发酵检测和控制：温度、pH、溶解氧、压强、通气量、搅拌、泡沫和营养等。并进行反馈控制。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③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。温度控制发酵前期菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，采用稍高的温度，能促进菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速。发酵中期菌量已达到最适，适当降低温度，延长发酵时间，提高产量。发酵后期产物合成能力降低，延长发酵时间没有必要，可提高发酵温度，刺激产物释放。pH控制加入缓冲剂(磷酸盐)直接加入酸碱进行补料(补充营养物质）如：当pH下降时，添加尿素，既可以调节pH也可以补充氮源。溶解氧控制溶解氧调控的主要手段：通风和搅拌搅拌叶轮空气入口氧气供需调节的根本目的是满足微生物生长和代谢的各阶段对发酵液溶解氧浓度的需求。分离、提纯产物①发酵产品是微生物细胞本身过滤、沉淀②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(萃取、蒸馏、离子交换)发酵液预处理细胞分离细胞破碎初步纯化高度纯化成品加工细胞破碎分离胞外产物发酵液预处理细胞分离细胞破碎初步纯化高度纯化成品加工细胞破碎分离胞外产物加热调pH沉降离心过滤研磨离心萃取过滤沉淀吸附萃取层析电泳结晶离子交换干燥结晶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？思考·讨论需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。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.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？思考·讨论要对温度、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。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？思考·讨论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。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？思考·讨论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，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。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。三、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1.在食品工业上的应用生产传统发酵产品生产各种各样的食品添加剂生产酶制剂第一：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思考·讨论：啤酒的工业化生产流程工业化生产流程如下图发芽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。蒸煮56发酵7消毒8终止工业化生产流程如下图产生风味组分，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生产传统发酵产品发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止加啤酒花冷却接种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。在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。讨论发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止加啤酒花冷却接种过滤1.与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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品质。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。应该辩证地看待这一产品。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?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。第二：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、溶菌酶添加了柠檬酸的饮料增加食品的营养延长食品的保存期改善食品的口味、色泽和品质食品添加剂的作用第三：生产酶制剂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②酶制剂的作用果胶酶脂肪酶α-淀粉酶β-淀粉酶氨基酸肽酶…

…①酶制剂2.在医药工业上的应用各种抗生素多种氨基酸多种激素多种免疫调节剂①发酵工程生产的药物2.在医药工业上的应用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3.在农牧业上的应用①生产微生物肥料a.微生物肥料：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。b.常见微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥②生产微生物农药a.微生物农药：利用微生物或其代谢物来防治病虫害。b.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③生产微生物饲料a.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。b.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，动物食用后还能提高免疫力。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1.下列关于发酵工程基本环节的叙述，错误的是（）A.发酵工程的主要环节包括选育菌种、扩大培养、灭菌和配制培养基、接种、发酵罐内发酵、分离提纯B.扩大培养是发酵工程的中心环节C.性状优良的菌种可以通过基因工程育种或诱变育种获得D.对于获得的产品菌种，可以采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥B课堂练习2.下列关于发酵工程基本环节的分析不正确的是（）A.培养基和发酵设备都应经过严格的灭菌才能使用，对于需氧发酵，通入的空气也应经过灭菌处理B.温度不仅能影响菌种的代谢，还能影响菌种对营养物质的吸收C.pH变化能导致某些菌种的发酵产物也发生变化D.酒精发酵时