1.3 发酵工程及其应用人教版（2019）高中生物选择性必修三(课件共20张PPT)

(共20张PPT)
第1章发酵工程
第3节发酵工程及其应用
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，一瓶规格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
扩大
培养
接种
灭菌
选育高
产菌种
配制培 养基
分离、提
纯产物
发酵罐
内发酵
获得
产品
青霉素
2022/1/12
一 、发酵工程的基本环节
1.选育菌种
(1)目的：获得 性状优良的菌种
(2) 菌种来源：从自然界中筛选、诱变育种或 基因工程育种。 ( 3 ) 实 例 ：筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期；
② 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
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 环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败
2.扩大培养
(1)目的：获得更多的菌种
(2)原因：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：
①在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。
②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：
(1)灭菌原因：发酵工程种所用的菌种大多是单一菌种，一旦有 杂菌污染，可能导致产量大大降低。
(2) 培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌；
5.接种：将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中 6.发酵罐内发酵—发酵工程的中心环节
(1)要求：
①发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等， 以了解发酵进程；
②要及时添加必需的营养物质， 要严格控制 温度、pH 和 溶氧量等发酵条件；
(2)严格控制发酵条件的原因：
①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；
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态
①在中 性 和弱 碱 性条 件下会积累谷 氨酸；
②在_酸性条件下则容易生成谷氨酰 胺和N-乙酰谷胺酰胺；
(4)现代发酵工程使用的发酵罐的优点 均有 计算机控制系统，能对发酵过
程中的温度、pH、溶氧量、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
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
阀门
(3)不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
- 生物传感器装置
O一空气入口
放料管
电动机 排气管 pH计
7.分离、提纯产物
方法：①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用
过 滤、沉淀 等方法将菌体分 离 和于 燥；
②发酵产品是代谢物时 ，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：单细胞蛋白
思考·讨论
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 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
①反复试验确定培养基的配方；②对培养基和发酵设备进行
严格的灭菌；③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度 等；④及时添加必需的营养组分；⑤严格控制温度、pH 和溶 氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测 和控制，以及反馈控制
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、过滤等方法来分离提纯产物。
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
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。
二 、发酵工程的应用
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。
1.在食品工业上的应用
(1)生产传统的发酵食品
实例1—生产酱油
实例2 —酿酒
谷物或水果 酿酒酵母 酒类
蛋白质水解成小分淋洗、调制 子的肽和氨基酸
黑曲霉
酱油
大豆
思考 ·讨论
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
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。
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
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。
泽和品质，延长食品的保存期
②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；
③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；
(2)生产食品添加剂
①食品添加剂的作用：增加食物的营养，改善食品的口味、色
▲图1-10 添加了柠檬酸的饮料
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
④常见的食品添加剂
(3)生产酶制剂
①常见酶制剂
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶
②酶制剂应用
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；
③酶制剂来源
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
(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
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。如某种乙肝疫苗的生产。
③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；
(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
实例：青霉素高产菌株的培育
3.在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料
①微生物肥料的种类：根瘤菌肥、固氮菌肥
②微生物肥料的作用：
I 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，促进植株生长； Ⅱ有的微生物肥料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
①微生物农药的作用机理：利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②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防治类型：生物防治
(3)生产微生物饲料
①原理：微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
单细胞蛋白生产过程：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
单细胞蛋白应用：食品添加剂、微生物饲料；
③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。
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
①极端微生物：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。
②举例：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。