1.3发酵工程及其应用课件（共32张ppt）高中生物人教版（2019）选择性必修3
文档属性
| 名称 | 1.3发酵工程及其应用课件（共32张ppt）高中生物人教版（2019）选择性必修3 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 3.4MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-12-31 21:19:52 | ||
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文档简介
(共32张PPT)
1.3 发酵工程及其应用
课程导入
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？
发酵工程的基本环节
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。
大规模生产发酵产品
微生物的特定功能
现代化工程技术
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
选育菌种
①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
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。
发酵工程的基本环节
选育菌种
②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
发酵工程的基本环节
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。
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。
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。
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产量下降。
发酵工程的基本环节
发酵罐内发酵
中心环节
①随时检测培养液微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程。
③检测和控制：温度、pH、溶解氧、压强、通气量、搅拌、泡沫和营养等。
②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。
发酵工程的基本环节
观察孔
排气管
冷却水排出口
搅拌叶轮
空气入口
冷却水进入口
放料管
pH检测及控制
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、pH等发生变化， 这些都会对微生物的生长造成不利影响。
发酵工程的基本环节
发酵罐内发酵
中心环节
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
发酵工程的基本环节
发酵工程的基本环节
思考
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？
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。
2. 怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
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。
3. 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。
发酵工程的基本环节
思考
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？
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，都需要进行质量检査，合格后才能成为正式产品。
巩固练习
1.下列关于发酵工程的操作流程的叙述，错误的是( )
A.发酵所需的菌种需要进行筛选或育种获得
B.菌种在接种之前要进行扩大培养
C.发酵所用的培养基要进行灭菌，发酵设备不需要严格灭菌
D.若产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施获得
C
巩固练习
2.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成功设计，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品。下列有关发酵工程过程的叙述错误的是( )
A.发酵工程的过程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制，灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等
B.选育菌种都是通过基因工程育种、诱变育种等方法获得的
C.扩大培养的目的是使优良菌种大量繁殖，便于得到足够多的菌种
D.产品的分离与提纯要根据产物的类型采用不同的分离方法
B
课程导入
你能想到哪些生活中发酵工程的例子呢？
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
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
(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
发酵工程的应用
发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
发芽
1
大麦
水
大麦种子发芽，
释放淀粉酶。
2
焙烤
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
3
碾磨
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
4
糖化
淀粉水解
形成糖浆。
发酵工程的应用
蒸煮
5
6
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
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
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
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
发酵工程的应用
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
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
③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；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基酸肽酶
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
生长抑素
发酵工程的应用
①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
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
微生物肥料的原理
常见微生物肥料：
根瘤菌肥、固氮菌肥
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。
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
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
发酵工程的应用
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 防治速度慢 成本高、污染环境，不利于维持生态平衡
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
③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，动物食用后还能提高免疫力。
发酵工程的应用
嗜盐菌
嗜热菌
4.在其他方面的应用
解决资源短缺和环境污染
纤维→酒精、乙烯
极端微生物的利用
嗜热菌、嗜盐菌→洗涤剂（耐高温耐盐）
嗜低温菌→热敏性产品（不耐高温）
巩固练习
1.下列不属于发酵工程在食品工业上应用的是( )
A.生产传统的发酵产品，如酱油、酒类等
B.生产各种各样的食品添加剂，如增味剂、增稠剂等
C.生产各种酶制剂，如果胶酶、脂肪酶、α－淀粉酶等
D.生产抗生素、多种氨基酸和免疫抑制剂等
D
谢 谢 观 看
1.3 发酵工程及其应用
课程导入
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？
发酵工程的基本环节
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。
大规模生产发酵产品
微生物的特定功能
现代化工程技术
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
选育菌种
①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
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。
发酵工程的基本环节
选育菌种
②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
发酵工程的基本环节
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。
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。
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。
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产量下降。
发酵工程的基本环节
发酵罐内发酵
中心环节
①随时检测培养液微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程。
③检测和控制：温度、pH、溶解氧、压强、通气量、搅拌、泡沫和营养等。
②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。
发酵工程的基本环节
观察孔
排气管
冷却水排出口
搅拌叶轮
空气入口
冷却水进入口
放料管
pH检测及控制
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、pH等发生变化， 这些都会对微生物的生长造成不利影响。
发酵工程的基本环节
发酵罐内发酵
中心环节
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
发酵工程的基本环节
发酵工程的基本环节
思考
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？
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。
2. 怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
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。
3. 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。
发酵工程的基本环节
思考
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？
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，都需要进行质量检査，合格后才能成为正式产品。
巩固练习
1.下列关于发酵工程的操作流程的叙述，错误的是( )
A.发酵所需的菌种需要进行筛选或育种获得
B.菌种在接种之前要进行扩大培养
C.发酵所用的培养基要进行灭菌，发酵设备不需要严格灭菌
D.若产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施获得
C
巩固练习
2.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成功设计，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品。下列有关发酵工程过程的叙述错误的是( )
A.发酵工程的过程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制，灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等
B.选育菌种都是通过基因工程育种、诱变育种等方法获得的
C.扩大培养的目的是使优良菌种大量繁殖，便于得到足够多的菌种
D.产品的分离与提纯要根据产物的类型采用不同的分离方法
B
课程导入
你能想到哪些生活中发酵工程的例子呢？
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
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
(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
发酵工程的应用
发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
发芽
1
大麦
水
大麦种子发芽，
释放淀粉酶。
2
焙烤
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
3
碾磨
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
4
糖化
淀粉水解
形成糖浆。
发酵工程的应用
蒸煮
5
6
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
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
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
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
发酵工程的应用
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
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
③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；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基酸肽酶
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
生长抑素
发酵工程的应用
①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
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
微生物肥料的原理
常见微生物肥料：
根瘤菌肥、固氮菌肥
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。
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
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
发酵工程的应用
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 防治速度慢 成本高、污染环境，不利于维持生态平衡
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
③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，动物食用后还能提高免疫力。
发酵工程的应用
嗜盐菌
嗜热菌
4.在其他方面的应用
解决资源短缺和环境污染
纤维→酒精、乙烯
极端微生物的利用
嗜热菌、嗜盐菌→洗涤剂（耐高温耐盐）
嗜低温菌→热敏性产品（不耐高温）
巩固练习
1.下列不属于发酵工程在食品工业上应用的是( )
A.生产传统的发酵产品，如酱油、酒类等
B.生产各种各样的食品添加剂，如增味剂、增稠剂等
C.生产各种酶制剂，如果胶酶、脂肪酶、α－淀粉酶等
D.生产抗生素、多种氨基酸和免疫抑制剂等
D
谢 谢 观 看