1.3发酵工程及其应用(共27张PPT)-2022-2023学年高二生物学人教版（2019）选择性必修三课件

(共27张PPT)
第3节 发酵工程及其应用
第1章 发酵工程
本节聚焦
1.什么是发酵工程？
2.发酵工程的一般流程是什么？
3.发酵工程在生产上有哪些重要的价值？
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？
工业上，青霉素的产生按照发酵工程的基本环节进行，首先进行青霉素生产菌高产菌种的选育，然后将高产菌种进行扩大培养增加菌种数量，同时配制适合青霉素生产菌生长的培养基并进行灭菌，在无菌条件下将大量优良高产菌种接种到培养液中，控制温度、pH、溶解氧等发酵条件进行发酵，发酵结束后进行青霉素的分离、提纯，就可得到大量青霉素。
发酵罐示意图
一、发酵工程的基本环节
1.发酵工程的形成过程：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：
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。生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。
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。
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。
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。例如，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。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
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的微生物数量、产物浓度等，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。例如，谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。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。
接种
发酵罐内发酵
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。
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产物
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？
（若生产的是微生物直接合成的产物，则可以从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程菌，从而达到生产相应产品的目的，同时还应注意温度、pH、溶解氧等对菌种的影响）
2. 怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
（发酵条件直接会影响微生物的生长和发酵产品的质量，发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等。温度条件的调控可通过向冷却夹层通入冷水来调控；pH条件的调控可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱；溶解氧的调控需根据微生物的代谢类型，若微生物是需氧型的，可通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。若微生物是厌氧型的，需封闭空气入口，建立厌氧环境等）
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？
（传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，基本没有经过产物分离和提纯等步骤。发酵工程的发酵产物根据产物的种类采取不同的分离、提纯方法，若发酵产物是微生物细胞本身，则采用过滤、沉淀等方法将菌体分离、提纯；若发酵产物是代谢物，则根据代谢物性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法分离、提纯）
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，发酵生产时，排出的气体可能含有有毒气体，废弃培养液可能含有有毒物质，这些都可能会污染环境，对人体健康造成危害，此外，废弃培养液中的微生物也可能会污染水体、感染人体。因此，排出的气体和废弃培养液等需经检测、处理后才能排到外界环境中）
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵产品
（2）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‘-肌甘酸二钠、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
（3）生产酶制剂
回忆一下，自己做过的生物学实验，想一想曾家使用过哪些酶制剂？
加酶洗衣粉中的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶等；探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶；探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶；探究果胶酶在果汁生产中应用的实验中的果胶酶
思考：
2.在医药工业上的应用
（1）将动植物目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，通过发酵技术获得所需药物
（2）将菌种直接改造，通过发酵技术获得药物
（3）将病原体的抗体基因转入微生物中，或得表达产物即可作为疫苗使用
生长激素释放抑制激素
3.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生有有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改料土壤结构，促进植株生长
（2）生产微生物农药
a.用苏云金杆菌防治农林害虫
b.用白僵菌防治玉米螟、松毛虫等
玉米螟
松毛虫
（3）生产微生物饲料
a.单细胞蛋白作为食品添加剂
b.单细胞蛋白制成生物饲料
单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还有糖类、脂质和维生素等物质，以后我老牛是不是吃点微生物菌体就可以健康的活下去呢？
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
b.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
课堂练习
1.发酵工程的基本步骤是( )
①选育菌种②配制培养基③扩大培养④灭菌⑤产品的分离、提纯⑥接种⑦发酵罐内发酵
A.②④①⑥③⑦⑤
B.①③②④⑥⑦⑤
C.①②④⑥③⑦⑤
D.②④①③⑥⑦⑤
B
2.发酵工程在现代生物工程中地位越来越重要。下列有关发酵过程叙述错误的是( )
A.首先要对发酵设备和培养基严格灭菌
B.要随时取样，检测培养液的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵过程
C.在发酵过程中不需要向装置中再添加必需的营养组分
D.要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件
C
3.发酵工程的第一个重要工作是从混杂的微生物群体中选择优良的单一纯种,获得纯种的方法不包括( )
A.根据微生物对碳源需要的差别,使用含不同碳源的培养基
B.根据微生物缺乏生长因子的种类,在培养基中增减不同的生长因子
C.利用高温高压消灭不需要的杂菌
D.根据微生物对抗生素敏感性的差异,在培养基中加入不同的抗生素
C
4.下列哪项不属于发酵工程在食品工业上的应用( )
A.生产传统发酵食品，如酱油、酒等
B.生产各种食品添加剂，如柠檬酸、味精等
C.生产酶制剂，如果胶酶、氨基肽酶等
D.生产单细胞蛋白，如酵母菌等
D
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