1.3发酵工程及其应用（教学课件）-高中生物学人教版（2019）选择性必修3(共32张PPT)

(共32张PPT)
第3节发酵工程及其应用
科学小故事： 1928年的一天，弗莱明在一间简陋的实 验室里研究导致人体发热的葡萄球菌。由于盖子没有盖 好，楼上一位研究青霉菌的学者的青霉菌飘到了培养细 菌用的琼脂上。弗莱明惊讶地发现，青霉菌附近的葡萄 球菌被溶解了。后来他经过多次实验，发现这个现象可 以重复，据此发现了葡萄球菌的克星——青霉素。
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
青霉菌
选育菌种 扩大培养
培养基的配制、灭菌 接种 发酵罐 内发酵
产品的分 离、纯化
一、发酵工程的基本环节
(一)选育菌种
1.目的 2.菌种来源
获得性状优良的菌种。 自然界中筛选、诱变育种或基因工程育种。
3.菌种选育的重要性(意义)
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。
4.实例
①筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸；
②使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期。
(二)扩大培养
1.目的 2.进行扩大培养的原因
获得更多的菌种。 工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入
的菌种总体积大(数目多)。
3.扩大培养的培养基
一般为 液体培养基。
(三)培养基的配制、灭菌
1.配制要求
①在菌种 确定之后(结合菌种代谢特点)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(即不断优化培养基)。 2.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。 3.灭菌目的
避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量。
*培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
(四)接种
将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
(五)发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
1.地位
发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
2 . 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 、 和溶氧量等发酵条件。
(五)发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
3.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。
4.不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
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。
电动机 排气管
物质的加入口
观察孔
冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮
和控制装置
生物传感器装置
冷却水进入口
空气入口
阀门
放料管
发酵罐示意图
(五)发酵罐内发酵 ——发酵工程的中心环节 5 .发酵容器——发酵罐
①空气入口——控制溶解氧
②生物传感器装置
一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号 进行检测的仪器。
③冷却水进入口/冷却水排出口
通过控制冷水流速调节罐温。
④电动机、搅拌叶轮
电动机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵 液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。
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
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
放料管
发酵罐示意图
(五)发酵罐内发酵 ——发酵工程的中心环节
6.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。
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
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
发酵罐示意图
(六)产品的分离、提纯
1.目的——获得产品 2.产品的两种形式
①微生物细胞本身。
②代谢物。
3. 采取手段
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_ 干燥_。
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。
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
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。
思考 ·讨论 发酵工程基本环节分析
3.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。
选育菌种 扩大培养
培养基的配制、灭菌 接种 发酵罐 内发酵
产品的分 离、纯化
一、发酵工程的基本环节
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。
(1)生产传统的发酵食品
①实例1——生产酱油
黑曲霉 蛋白质水解成小分
子的肽和氨基酸
淋洗、调制
大豆
酱油
二、发酵工程的应用
1 .在食品工业上的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。
(1)生产传统的发酵食品
①实例2——酿酒
酿酒酵母
谷物或水果
酒类
思考 · 讨论 啤酒的工业化生产流程
发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵
主发酵 终止 消毒
一、过程概述：
1.啤酒的发酵过程分为主发酵_ 和后发酵两个阶段。 后发酵
2.主发酵阶段完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成。
3.后发酵的条件是低温、密闭的环境下储存一段时间。
4.焙烤的目的：加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活_。
5.蒸煮的目的：产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
思考 ·讨 论 啤酒的工业化生产流程
发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵
主发酵 终止 消毒
二、讨论
1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封” 后发酵
“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖。
“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。。
2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道 这是发生了什么变化吗
酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
发芽 焙烤 碾磨 糖化
主发酵
哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高
①菌种的选育。 ②对原材料的处理。
③发酵过程的控制。 ④ 产 品 的 消 毒 等 。
、讨论
3.与传统的手工发酵相比，在上面啤酒的发酵生产过程中，
思考 · 讨论 啤酒的工业化生产流程
发酵
消毒
蒸煮
终止
后发酵
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。
(2)生产食品添加剂
①食品添加剂优点 ▲图1-10 添加了柠檬酸的饮料
增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，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。
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。
(2)生产食品添加剂
③实例2——味精
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精，
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸。
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。
(2)生产食品添加剂
④常见的食品添加剂
表1-2 常用的几类食品添加剂
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
二、发酵工程的应用
1 .在食品工业上的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。
(3)生产酶制剂
①常见酶制剂——a-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶。
期：12个
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
食品工业是微生物最早开发和应用的领域。
(3)生产酶制剂
① 常见酶制剂——a-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。
二、发酵工程的应用
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。
例如，生长激素释放抑制激素能够抑制生长激素的不适宜分泌，可用于治疗肢端肥 大症。最初临床上使用的这种激素是从羊脑中提取的，50万个羊脑才能提取5mg,远 远不能满足需要。后来利用经过基因改造的微生物进行发酵生产，从7.5L培养液中 就能得到5mg的生长激素释放抑制激素，这也使得其价格降为原来的几百分之一。
二、发酵工程的应用
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。
通过诱变的青霉菌发酵生产大量青霉素。
二、发酵工程的应用
2.在医药工业上的应用
(3)科学家还利用基因工程，将病原体的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。
(4)未来甚至还可能用微生物来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微生物肥料的作用
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， 促进植株生长。
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。
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
微生
二、发酵工程的应用
▲图 1-12 微生物肥料
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
(2)生产微生物农药
①微生物农药的作用——利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②防治类型属于_生物防治。 ③实例
微生物或代谢产物
防止病虫害种类
苏云金杆菌
80多种农林害虫
白僵菌
玉米螟、松毛虫
一种放线菌产生的抗生素(井冈霉素)
水稻枯纹病
苏云金杆菌
绿色无公害杀虫剂
玉米螟
菜青虫 食心虫
枣尺蠖
吊丝虫
美国白蛾
棉铃虫
小菜蛾
松毛虫
烟青虫
茶毛虫
稻包虫
3.在农牧业上的应用
(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
许多国家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——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。
二、发酵工程的应用
单细胞蛋白
二、发酵工程的应用
4.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。
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。
选育菌种
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
食品工业上的应用
医药工业上的应用
农牧业上的应用
其他方面的应用
发酵工程的 基本环节
发酵工程的 应用
知识网络构建
发 酵 工 程 及 其 应 用