生物人教版（2019）选择性必修3 1.3 发酵工程及应用（共33张ppt）

(共33张PPT)
1.3发酵工程及应用
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。
从社会中来
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？
一、发酵工程的基本环节
1、随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下，大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成。
2、发酵工程的环节：
菌种的选育，
扩大培养，
培养基的配制、灭菌，
接种、发酵，
产品的分离、提纯等方面。
发酵工程的基本环节
选育菌种:可以从自然界中筛选,也可通过诱变育种或基因工程获得
扩大培养
发酵罐内发酵:发酵工程的中心环节。在了解发酵进程的同时,还要控制发酵条件。如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
接种
灭菌:不能有杂菌污染。如在青霉素生产过程中如果污染了杂菌,某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉
分离、提纯产物:
(1)若产品是微生物本身,可采用过滤、沉淀等方法;
(2)若产品是代谢物,可根据产物性质采取适当的措施
获得产品
一、发酵工程的基本环节
环节 目的
菌种选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
性状优良菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。
工业发酵罐体积大，接种菌种总体积大。发酵前需对菌种扩大培养。
选原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。
发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌
一、发酵工程的基本环节
环节 目的
发酵罐接种、 发酵
产品分离、提纯
现代发酵工程的大型发酵罐有计算机控制系统，能对温度、PH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养进行监测和控制。还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵工程的中心环节，发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产品浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、PH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅影响微生物生长繁殖，还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，可在发酵结束后，采用过滤、沉淀方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可据产物性质采取适当提取、分离纯化措施来获得产品。
P23 思考-讨论
发酵工程基本环节分析
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？
2、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
选择发酵工程中用的菌种,在考虑生产需要(如微生物体内酶的催化能力、微生物的繁殖速度等)的同时,还要结合当地的气候和发酵设备等实际情况。
(1)反复试验确定培养基的配方。
(2)对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。
(3)用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。
(4)控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。可用温度传感器、
冷却水进入口和排出口控制温度,利用发酵罐的通气口控制氧气
的量等。
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？
4、进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？为什么？
不能。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备,达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。
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、过滤等方法来分离提纯产物。
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、吸附或离子交换等方法；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
P25
啤酒的工业化流程
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
消毒
终止
后发酵
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。
一、过程概述：
1.啤酒的发酵过程分为_______和_______两个阶段；
2.主发酵阶段完成________________________________；
3.后发酵的条件__________________________；
4.焙烤的目的：___________________________；
5.蒸煮的目的：__________________________________；
主发酵
后发酵
酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成
低温、密闭的环境下储存一段时间
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌
发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求不同有所差异。
思考·讨论 啤酒的工业化生产流程
二、讨论
1.酵母菌酒精发酵过程中为什么
要“先通气后密封”？
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？
“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。
3.与传统的手工发酵相比，在上面啤酒的发酵生产过程中，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
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。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，我们如何看待大规模生产和小规模制作？
答案： 应该辩证地看待这一产品。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。
发酵工程的优点
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；
因此，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。
二、发酵工程的应用
（一）在食品工业上的应用
1、生产传统的发酵产品
大豆中蛋白
小分子肽和氨基酸
酱油
黑曲霉
淋洗、调制
各种谷物、水果
酿酒酵母
各种酒类
利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类
2、生产各种各样的食品添加剂
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
利用黑曲霉发酵生产柠檬酸；利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。
3、生产酶制剂
利用微生物发酵生产α 淀粉酶、β 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等；
目前，已有50多种酶制剂成功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品产量等方面。
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。
利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
（二）、在医药工业上的应用
科学家还利用基因工程，将病原体的抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。
未来甚至还可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。
（二）、在医药工业上的应用
3.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
①微生物肥料的种类
根瘤菌肥、固氮菌肥
②微生物肥料的作用
微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长；
有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生.
3.在农牧业上的应用
（2）生产微生物农药
①微生物农药的作用
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②防治类型
属于_________
③实例
生物防治
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
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，且繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
许多国家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；
单细胞蛋白应用——食品添加剂、微生物饲料；
③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。
微生物菌体
4.在其他方面的应用
（1）解决资源短缺与环境污染问题
随着对纤维素水解研究的不断深入，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
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
例如嗜热菌、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。
提示 在农业生产中,可以利用农作物废弃物生产食用菌,利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料;在植物保护方面,应用微生物产生的抗生素来生产生物农药,治理病虫害等。
1.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。
提示利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾,利用发酵工程使烟气脱硫,还可以利用微生物工程除臭等。
2.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。
到社会中去
1、列出你昨天一天的食谱，看看那些食品是直接由微生物发酵产生的？
那些食品中添加了经发酵生产的食品添加剂？
2、当地是否有发酵生产企业？如果有，请进行以下调查活动
（1）咨询当地政府管理部门，了解以下信息：这些企业的年产值是多少？占当地国民生产总值的比例是多少？提供了多少就业岗位？
（2）你的家人和朋友是否有正在从事分解工业生产的，如果有，咨询以下问题：他们所在公司目前生产那些分解产品？经济效益如何？该行业遇到的主要困难是什么？要解决这些困难，对分解技术提出了那些新要求？
总结
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1.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。
2.发酵工程所用的菌种大多是单一菌种。
3.发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵。
核心语句背诵
4.如果发酵产品是微生物菌体可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品；如果发酵产品是微生物的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。
5.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及微生物的菌体。
练习与应用
1.×√√×
拓展与应用
1（1）答案：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
(2)答案：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。
2.提示：学生通过査找资料可以知道，这一风险是存在的。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。
复习与提高
1.(1) 答案：筛选出可以降解化合物A的微生物 选择
(2)答案：显著降低 扩增
(3) 答案：细菌计数板计数 S型增长
(4) 提示：目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践。
(5)提示：可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。
2.答案：①不同意。提示：只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。
②没有必要。提示：根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方案。
③需要设置对照组。严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可以说明培养基是否被污染，后者可以说明该培养基能否培养出大肠杆菌。
（2）B
(3)答案：说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。统计结果比实际值偏少。因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个菌落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。
(4) 提示：应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。
/8、发酵法生产酒精后的废液(pH 4.3)含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。
培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下。请据图回答下列问题：
(1)实验过程中培养白地霉的培养基是____________ 。培养基定量分装前，先调节________ ，分装后用
棉塞封瓶口，最后________处理。
(2)图中①过程称为______，从甲到丁的培养过程是为了__________。白地霉菌的代谢类型为________ 。
(3)为确定菌体产量，图中②操作之前，应先称量_______的质量。过滤后需反复烘干称量，直至________。
所获菌体干重等于
废液上清液
pH
灭菌
接种
扩大培养
异养需氧型
滤纸
恒重
(质量基本不变)
恒重时的质量与滤纸质量之差(答案合理即可)