1.3 发酵工程及其应用 课件(共21张PPT) 2023-2024学年高二生物人教版（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21张PPT) 2023-2024学年高二生物人教版（2019）选择性必修3 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 1.9MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2024-01-16 21:59:40 | ||
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文档简介
(共21张PPT)
发酵工程及其应用
第3节
人教版 选择性必修3
1.能阐明发酵工程的定义
2.能概述发酵工程的一般流程。
3.能说明发酵工程对生产的价值。
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？
青霉素
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
2024/1/15
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中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。
2024/1/15
1.选育菌种：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。
2.扩大培养：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。
3.配制培养基：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。
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
发酵工程的基本环节
6.发酵罐内发酵：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。
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
优点：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。
2024/1/15
7.分离、提纯产物：
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。
8.获得产品
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
B
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
C
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
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。
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。
发酵工程基本环节分析
2024/1/15
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？
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。
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。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
2024/1/15
（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。
2.在医药工业上的应用
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。
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。
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、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，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：
①苏云金杆菌:防治80多种农林虫害。
②白僵菌：防治玉米螟、松毛虫等虫害。
③井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素）:防治水稻枯纹病。
2024/1/15
（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。
单细胞蛋白
2024/1/15
（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
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
发酵工程及其应用
第3节
人教版 选择性必修3
1.能阐明发酵工程的定义
2.能概述发酵工程的一般流程。
3.能说明发酵工程对生产的价值。
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？
青霉素
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
2024/1/15
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中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。
2024/1/15
1.选育菌种：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。
2.扩大培养：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。
3.配制培养基：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。
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
发酵工程的基本环节
6.发酵罐内发酵：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。
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
优点：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。
2024/1/15
7.分离、提纯产物：
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。
8.获得产品
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
B
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
C
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
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。
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。
发酵工程基本环节分析
2024/1/15
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？
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。
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。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
2024/1/15
（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。
2.在医药工业上的应用
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。
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。
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、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，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：
①苏云金杆菌:防治80多种农林虫害。
②白僵菌：防治玉米螟、松毛虫等虫害。
③井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素）:防治水稻枯纹病。
2024/1/15
（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。
单细胞蛋白
2024/1/15
（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
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