1.3发酵工程及其应用课件（共42张PPT）2022-2023学年高二下学期人教版选择性必修3
文档属性
| 名称 | 1.3发酵工程及其应用课件（共42张PPT）2022-2023学年高二下学期人教版选择性必修3 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 25.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2023-03-31 22:06:33 | ||
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文档简介
(共42张PPT)
发酵工程及其应用
第3节
第一章 发酵工程
嵌入视频 青霉素的“自白”
从社会中来
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，价格贵如金。
随着发酵技术的发展，如今一瓶规格160万单位的青霉素注射剂价格只要一元左右，那么工业上究竟是如何生产的呢？
选育高产菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
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
P1 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。 ——发酵工程
发酵工程的概念
合作探究1
阅读P22-23，结合图1-9，分析讨论以下问题:
1、发酵工程的基本环节有哪些？发酵工程中心环节是什么？
2、青霉素工业生产，选育菌种的方法有哪些？
3、扩大培养目的是什么？
4、扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选 培养基进行培养，原因？
5、为什么要严格控制发酵条件？
快速增加菌种数量
液体培养基，使微生物与营养物质接触更充分，
提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。
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；
一、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
一、发酵工程的基本环节
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种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。
一、发酵工程的基本环节
1. 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
黑曲霉
生产啤酒
啤酒酵母
生产青霉素
黄青霉
生产味精
谷氨酸棒状杆菌
方法
从自然界中筛选出优良菌种。
通过诱变育种或基因工程育种获得。
一、发酵工程的基本环节
2. 扩大培养
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。
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。
碳源
氮源
无机盐
水
特殊营养物质
3. 配制培养基
PH
O2
一、发酵工程的基本环节
4. 灭菌
发酵工程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。
青霉菌
杂菌
青霉素酶
青霉素
产生
产生
分解
培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
对通入的空气进行灭菌，对生产环境需进行消毒处理。
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
电动机
发酵液
冷却夹层
生物传感器
pH计
冷却水排出口
培养物或营养物质的加入口
观察孔
温度传感器和控制装置
阀门
放料管
搅拌叶轮
空气入口
排气管
取样管
冷却水进入口
抽取样本进行检测
调节罐压
控制冷水流速调节罐温
控制溶解氧含量
使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
搅拌叶轮
1
通过叶轮的搅拌作用，使培养基在发酵罐内得到充分的混合，尽可能使微生物在发酵罐里的每一处均能得到充足的氧气和培养基中的营养物质。
2
良好的搅拌有利于微生物发酵过程中产生的热量传递给冷却介质。
3
搅拌能使发酵液充分混合，发酵罐的发酵液中的固型物质保持悬浮状态。
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
电动机
发酵液
冷却夹层
生物传感器
pH计
冷却水排出口
培养物或营养物质的加入口
观察孔
温度传感器和控制装置
阀门
放料管
搅拌叶轮
空气入口
排气管
取样管
冷却水进入口
① 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节
② 发酵过程的监控
发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，了解发酵进程。
及时添加必需的营养组分。
严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
③ 严格控制发酵条件的原因
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。
谷氨酸发酵
中性
弱碱性
谷氨酸
谷氨酰胺
N-乙酰谷氨酰胺
酸性
④ 发酵过程中使用大型发酵罐均有计算机控制系统。
检测
控制
还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
温度
pH
溶解氧
灌压
搅拌
泡沫
营养
通气量
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
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，使菌体生长迅速。
发酵中期
菌量已达到最适，适当降低温度，延长发酵实践，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。
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
pH控制
方法
直接加入酸或碱
加入缓冲剂（磷酸盐）
进行补料（补充营养组分） → 尿素（pH下降）
搅拌叶轮
加快O2的溶解
以及散热。
空气入口
控制溶解氧含量
溶解氧控制
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。
溶解氧调控的主要手段：
通风和搅拌
一、发酵工程的基本环节
6. 分离、提纯产物
① 发酵产品是微生物细胞本身
② 发酵产品是代谢物
根据产物性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
过滤、沉淀
发酵液
菌体
分离、干燥
产品
发酵液
预处理
细胞分离
细胞破碎
细胞破碎分离
初步纯化
高度纯化
成品加工
胞外产物
发酵工程的基本环节需要注意的地方
基本环节 主要方法及目的
选育菌种
扩大培养
培养基的配制
灭菌
产品的分离、提纯
接种
发酵罐发酵
性状优良菌种可从 筛选，也可通过 或 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
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、分离和纯化措施来获得产品。
自然界
诱变育种
基因工程
一、发酵工程的基本环节
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？
需要考虑的因素包括：
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件容易控制；
④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。
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
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？
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。
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。
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。
一、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
②代谢物：适当的提取、
分离和纯化措施
①菌体本身：过滤、沉淀
①随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等
地位：中心环节
②及时添加必需的营养组分
③严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件
监控
①目的：防止杂菌污染
②对象：培养基和发酵设备
营养构成：
水、无机盐、碳源、氮源等
方法
①从自然界中筛选的优良菌种
②通过诱变育种或基因工程育种获得
课堂小结
目的：增加菌种数量
对点训练：
1.发酵工程的正确操作过程是
①发酵 ②培养基的配制 ③灭菌 ④产品的分离与提纯 ⑤菌种的选育 ⑥接种 ⑦扩大培养
A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④
C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③①
√
对点训练：
2.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是
A.菌种选育是发酵工程的中心环节
B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行
C.在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵
条件，否则会影响菌种代谢物的形成
D.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但是
不影响微生物的代谢途径
√
(1)生产条件温和。
(2)原料来源丰富且价格低廉。
(3)产物专一、废弃物对环境的污染小且容易处理。
1．发酵工程的优点
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，如酱油、各种酒类等。
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
实例1
—生产酱油
大豆
黑曲霉
蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
实例2
—酿酒
谷物或水果
酿酒酵母
酒类
啤酒的工业化生产流程
啤酒的工业化流程
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。
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
冷却
消毒
终止
后发酵
过滤
(1)在食品工业上的应用
②生产各种各样的食品添加剂
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
实例1——柠檬酸
柠檬酸是一种食品酸度调节剂；
可以通过黑曲霉的发酵制得；
实例2——味精
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸；
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；
(1)在食品工业上的应用
③生产酶制剂，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
来源：少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产；
(2)在医药工业上的应用：如生产抗生素、激素、疫苗等。
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
①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
②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
对点训练：
3.如图所示为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量合成氨基酸A，应采取的最佳措施是
A.改变面包霉的细胞膜通透性
B.在高温高压下进行发酵
C.对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶③的菌种
D.对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶②的菌种
√
(3)在农牧业上的应用
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
①生产微生物肥料
微生物肥料的种类：
根瘤菌肥、固氮菌肥
②生产微生物农药
机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
实例：
苏云金杆菌 防治80多种农林虫害。
白僵菌 防治玉米螟、松毛虫等虫害。
井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素） 防治水稻枯纹病。
防治类型：
生物防治
(3)在农牧业上的应用
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
③生产微生物饲料
原理：
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
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。
对点训练:
4.(2022·湖北荆门高二期末)与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。下列叙述错误的是
A.传统发酵技术多是混合菌种发酵，发酵工程一般为纯种发酵
B.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白
C.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身
D.发酵工程通常可以采用连续培养的方法以最大限度地获得人类所需的
产品
√
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
（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。
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。
15.谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。请回答下列问题：
(1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的是________
(填字母)。
A.噬菌体 B.人类免疫缺陷病毒(HIV) C.禽流感病毒
D.肺炎链球菌 E.酵母菌 F.硝化细菌
G.乳酸菌
ABCE
(2)谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢物中出现了大量的乳酸，从发酵条件看，其原因很可能是____________。
(3)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的_______，而且还有调节培养液_____的作用，所以应该分次加入。
通气量不足
氮源
pH
(4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气，并通过搅拌使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中，当培养基中碳氮比为4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳氮比为3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下，谷氨酸棒状杆菌代谢物是乳酸或琥珀酸。由上述探究可知，通过发酵得到大量谷氨 酸的发酵思路是_______________________________________________
________________________________________________________________________ _________________。
不断向发酵液中通入无菌空气，发酵液中碳氮比为4∶1培养一段时间使菌种大量繁殖，后将培养液的碳氮比改为3∶1(改变细胞膜的通透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外)
发酵工程及其应用
第3节
第一章 发酵工程
嵌入视频 青霉素的“自白”
从社会中来
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，价格贵如金。
随着发酵技术的发展，如今一瓶规格160万单位的青霉素注射剂价格只要一元左右，那么工业上究竟是如何生产的呢？
选育高产菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
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
P1 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。 ——发酵工程
发酵工程的概念
合作探究1
阅读P22-23，结合图1-9，分析讨论以下问题:
1、发酵工程的基本环节有哪些？发酵工程中心环节是什么？
2、青霉素工业生产，选育菌种的方法有哪些？
3、扩大培养目的是什么？
4、扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选 培养基进行培养，原因？
5、为什么要严格控制发酵条件？
快速增加菌种数量
液体培养基，使微生物与营养物质接触更充分，
提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。
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；
一、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
一、发酵工程的基本环节
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种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。
一、发酵工程的基本环节
1. 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
黑曲霉
生产啤酒
啤酒酵母
生产青霉素
黄青霉
生产味精
谷氨酸棒状杆菌
方法
从自然界中筛选出优良菌种。
通过诱变育种或基因工程育种获得。
一、发酵工程的基本环节
2. 扩大培养
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。
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。
碳源
氮源
无机盐
水
特殊营养物质
3. 配制培养基
PH
O2
一、发酵工程的基本环节
4. 灭菌
发酵工程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。
青霉菌
杂菌
青霉素酶
青霉素
产生
产生
分解
培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
对通入的空气进行灭菌，对生产环境需进行消毒处理。
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
电动机
发酵液
冷却夹层
生物传感器
pH计
冷却水排出口
培养物或营养物质的加入口
观察孔
温度传感器和控制装置
阀门
放料管
搅拌叶轮
空气入口
排气管
取样管
冷却水进入口
抽取样本进行检测
调节罐压
控制冷水流速调节罐温
控制溶解氧含量
使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
搅拌叶轮
1
通过叶轮的搅拌作用，使培养基在发酵罐内得到充分的混合，尽可能使微生物在发酵罐里的每一处均能得到充足的氧气和培养基中的营养物质。
2
良好的搅拌有利于微生物发酵过程中产生的热量传递给冷却介质。
3
搅拌能使发酵液充分混合，发酵罐的发酵液中的固型物质保持悬浮状态。
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
电动机
发酵液
冷却夹层
生物传感器
pH计
冷却水排出口
培养物或营养物质的加入口
观察孔
温度传感器和控制装置
阀门
放料管
搅拌叶轮
空气入口
排气管
取样管
冷却水进入口
① 发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节
② 发酵过程的监控
发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，了解发酵进程。
及时添加必需的营养组分。
严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
③ 严格控制发酵条件的原因
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。
谷氨酸发酵
中性
弱碱性
谷氨酸
谷氨酰胺
N-乙酰谷氨酰胺
酸性
④ 发酵过程中使用大型发酵罐均有计算机控制系统。
检测
控制
还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
温度
pH
溶解氧
灌压
搅拌
泡沫
营养
通气量
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
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，使菌体生长迅速。
发酵中期
菌量已达到最适，适当降低温度，延长发酵实践，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。
一、发酵工程的基本环节
5. 发酵罐内发酵
pH控制
方法
直接加入酸或碱
加入缓冲剂（磷酸盐）
进行补料（补充营养组分） → 尿素（pH下降）
搅拌叶轮
加快O2的溶解
以及散热。
空气入口
控制溶解氧含量
溶解氧控制
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。
溶解氧调控的主要手段：
通风和搅拌
一、发酵工程的基本环节
6. 分离、提纯产物
① 发酵产品是微生物细胞本身
② 发酵产品是代谢物
根据产物性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
过滤、沉淀
发酵液
菌体
分离、干燥
产品
发酵液
预处理
细胞分离
细胞破碎
细胞破碎分离
初步纯化
高度纯化
成品加工
胞外产物
发酵工程的基本环节需要注意的地方
基本环节 主要方法及目的
选育菌种
扩大培养
培养基的配制
灭菌
产品的分离、提纯
接种
发酵罐发酵
性状优良菌种可从 筛选，也可通过 或 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
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、分离和纯化措施来获得产品。
自然界
诱变育种
基因工程
一、发酵工程的基本环节
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？
需要考虑的因素包括：
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件容易控制；
④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。
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
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？
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。
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。
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。
一、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
②代谢物：适当的提取、
分离和纯化措施
①菌体本身：过滤、沉淀
①随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等
地位：中心环节
②及时添加必需的营养组分
③严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件
监控
①目的：防止杂菌污染
②对象：培养基和发酵设备
营养构成：
水、无机盐、碳源、氮源等
方法
①从自然界中筛选的优良菌种
②通过诱变育种或基因工程育种获得
课堂小结
目的：增加菌种数量
对点训练：
1.发酵工程的正确操作过程是
①发酵 ②培养基的配制 ③灭菌 ④产品的分离与提纯 ⑤菌种的选育 ⑥接种 ⑦扩大培养
A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④
C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③①
√
对点训练：
2.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是
A.菌种选育是发酵工程的中心环节
B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行
C.在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵
条件，否则会影响菌种代谢物的形成
D.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但是
不影响微生物的代谢途径
√
(1)生产条件温和。
(2)原料来源丰富且价格低廉。
(3)产物专一、废弃物对环境的污染小且容易处理。
1．发酵工程的优点
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，如酱油、各种酒类等。
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
实例1
—生产酱油
大豆
黑曲霉
蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
实例2
—酿酒
谷物或水果
酿酒酵母
酒类
啤酒的工业化生产流程
啤酒的工业化流程
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。
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
冷却
消毒
终止
后发酵
过滤
(1)在食品工业上的应用
②生产各种各样的食品添加剂
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
实例1——柠檬酸
柠檬酸是一种食品酸度调节剂；
可以通过黑曲霉的发酵制得；
实例2——味精
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸；
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；
(1)在食品工业上的应用
③生产酶制剂，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
来源：少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产；
(2)在医药工业上的应用：如生产抗生素、激素、疫苗等。
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
①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
②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
对点训练：
3.如图所示为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量合成氨基酸A，应采取的最佳措施是
A.改变面包霉的细胞膜通透性
B.在高温高压下进行发酵
C.对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶③的菌种
D.对面包霉进行诱变处理，选育出不能合成酶②的菌种
√
(3)在农牧业上的应用
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
①生产微生物肥料
微生物肥料的种类：
根瘤菌肥、固氮菌肥
②生产微生物农药
机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
实例：
苏云金杆菌 防治80多种农林虫害。
白僵菌 防治玉米螟、松毛虫等虫害。
井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素） 防治水稻枯纹病。
防治类型：
生物防治
(3)在农牧业上的应用
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
③生产微生物饲料
原理：
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
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。
对点训练:
4.(2022·湖北荆门高二期末)与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。下列叙述错误的是
A.传统发酵技术多是混合菌种发酵，发酵工程一般为纯种发酵
B.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白
C.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身
D.发酵工程通常可以采用连续培养的方法以最大限度地获得人类所需的
产品
√
二.发酵工程的应用
2．发酵工程的应用
（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。
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。
15.谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。请回答下列问题：
(1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的是________
(填字母)。
A.噬菌体 B.人类免疫缺陷病毒(HIV) C.禽流感病毒
D.肺炎链球菌 E.酵母菌 F.硝化细菌
G.乳酸菌
ABCE
(2)谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢物中出现了大量的乳酸，从发酵条件看，其原因很可能是____________。
(3)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的_______，而且还有调节培养液_____的作用，所以应该分次加入。
通气量不足
氮源
pH
(4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气，并通过搅拌使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中，当培养基中碳氮比为4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳氮比为3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下，谷氨酸棒状杆菌代谢物是乳酸或琥珀酸。由上述探究可知，通过发酵得到大量谷氨 酸的发酵思路是_______________________________________________
________________________________________________________________________ _________________。
不断向发酵液中通入无菌空气，发酵液中碳氮比为4∶1培养一段时间使菌种大量繁殖，后将培养液的碳氮比改为3∶1(改变细胞膜的通透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外)