生物人教版（2019）选择性必修3 1.3发酵工程及其应用（共15张ppt）

(共15张PPT)
第1章 发酵工程新课导入
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？
青霉素
◆发酵工程是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。
选育高产菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵
(发酵罐内)
分离、提纯产物
获得产品
◆发酵工程的基本环节：
新课讲解
一、发酵工程的基本环节
发酵工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、提纯等方面。
1.选育菌种：
获得优良菌种的途径：
①从自然界分离(筛选)菌种；
②人工培育菌种：采用人工诱变、基因工程等手段。
2.扩大培养：
扩大培养：是将培养到对数期的菌体分开，分别进行培养，以促进菌体数量快速增加，在短时间里得到大量的菌体。多次这样处理后，菌体数量就会是很多了。
3.培养基配制：
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。
新课讲解
4.灭菌：
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。
5.接种：
将扩大培养的菌种投放到发酵罐中。
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要①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②及时添加必需的营养组分，要③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。
6.发酵罐内发酵：
新课讲解
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。
7.分离、提纯产物：
▼提醒：根据发酵产品的不同采用适当的分离提纯方法：
⑴菌体(微生物细胞)：采用过滤、沉淀等方法。
⑵代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
8.获得产品
▼思考：扩大培养与发酵过程中的培养是否相同？
提示：主要在于目的不同：
扩大培养是为了让菌种在短时间内快速增殖，以增加接种时菌种数量，缩短调整期，从而缩短生产周期。而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物。
目的不同，则培养的条件就可能不同。
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
提示：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。
提示：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。
提示：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，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
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？
提示：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。
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要
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
新课讲解
二、发酵工程的应用
(一)发酵工程的特点(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以及容易处理
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：
新课讲解
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。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。
实例：①以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌(如黑曲霉),将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调制成的酱油产品。
②以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产的各种酒类。
(2)生产各种各样的食品添加剂。食品添加剂不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。
实例：①柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得。
②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作味精。
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
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(3)生产酶制剂。常用的酶制剂如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
①应用：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。
②来源：少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。
思考讨论啤酒的工业化生产流程1.与传统的手工发酵相比，在下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 提示：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。提示：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。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，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？新课讲解
2.在医药工业上的应用
(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。
(3)实例：
①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素；
②利用微生物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；
③利用基因工程改造的微生物生产疫苗。将病原体的某个或某几个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。
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3.在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料。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①增进土壤肥力，②改良土壤结构，③促进植物生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以④抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
(2)生产微生物农药。与传统的化学农药不同，微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。微生物农药作为生物防治的重要手段。
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。
(3)生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质，且生长繁殖速度很快。
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。
单细胞蛋白的应用：食品添加剂、微生物饲料等。
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。
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(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（如高温、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。
4.在其他方面的应用
课堂训练
1.下列不是发酵过程中要完成的是（ ）
A.随时取样检测培养液中的微生物数量及产物浓度
B.不断添加菌种
C.及时添加必需的营养组分
D.严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等条件
2.发酵过程中，不会直接引起pH变化的是（ ）
A.营养物质的消耗 B.微生物释放出的CO2
C.微生物细胞数目的增加 D.代谢产物的积累
3.发酵罐发酵的过程中，使温度升高的热量来源于（ ）
①冷却水供应不足　 ②微生物代谢旺盛　
③培养基不新鲜　 ④搅拌 ⑤放料口排出产物
A.①②③④⑤　　　 B.②③④ C.①④ D.②④
B
C
D
4.下列不属于发酵工程应用的是（ ）
A.利用工程菌生产人生长激素释放抑制激素
B.利用啤酒酵母酿造啤酒
C.用培养的人细胞构建人造皮肤
D.用酵母菌生产作为食品添加剂的单细胞蛋白
C