1.3 发酵工程及其应用 课件 人教版（2019）选择性必修3(共33张PPT)

(共33张PPT)
【本节聚焦】
1.什么是发酵工程
2.发酵工程的一般流程是什么
3.发酵工程在生产上有哪些重要的价值
第3节发酵工程及其应用
第一章 发酵工程
学习目标
目 标
关注发酵工程在食品、医药、农牧业的 应用，倡导健康、安全的生产和生活
(社会责任)
基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐
明发酵工程的概念。 (科学思维)
(科学探究)
根据发酵产品和利用微生物的不同，讨 论发酵工程中的发酵条件及控制方法。
青霉素是世界上第一种应用于临
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。
问题：那么,在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢
问题：什么是发酵工程
通过发酵工程生产
从社会中来
①微生物：自然界的微生物 (常规菌)
诱变育种的微生物
基因重组的微生物
②产品：包括利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌 发酵制造的酸奶，及利用工程菌生产的人胰岛素。
③实质：利用微生物进行产品生产。
(工程菌)
一、发酵工程的基本环节
发酵工程的概念：
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。
发酵工程的基本环节
①方法：
自然界直接筛选性状优良的常规菌种；
通过诱变育种或基因工程育种获得。
②实例：
选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒，
加速发酵、缩短生产周期。
发酵罐 内发酵
配置培养基 →灭菌
产柠檬酸量高的黑曲霉
啤 酒 酵 母 粉
西安诺然生物
基因工程改造的啤酒酵母
选育菌种
扩大培养
分 离 、
提纯产物
获得 产品
接 种
、
一
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌 接种
目 的
增加菌种数量，缩短
生产周期
便
发酵罐内 发酵
方法
将培养到生长速度最
快时期的菌体分开，
再进行培养。
一、发酵工程的基本环节
分离提纯 产物
获得 产品
①配置培养基要遵循的原则：
即营养物质满足微生物的需要，营养物质的浓 度及配比恰当，物理、化学条件适宜等。
②配置的培养基应包括微生物生长所需的碳源、
氮源、水、无机盐及特殊营养要求。
③配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。
接种 发酵罐 内发酵 分 离 、 提纯产物
获得
产品
配置培养基 灭菌
一、发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
原因
杂菌与菌种之间形成种间
竞争关系使产量下降或杂 菌产生的代谢物抑制菌种 的生长使产量下降。
选育菌种
扩大培养
配制培养基
实例
在青霉素生产过程中混入
杂菌，这些杂菌会分泌青 霉素酶，分解青霉素。
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。
一 、发酵工程的基本环节
发酵罐内 发酵
分离提纯 产物
获得 产品
接种
灭菌
接种 发酵罐 内发酵 分离 、 提纯产物
获得
产品
配置培养基—— →灭 菌
一、发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
将 扩大培养后
.
的菌种投放到
发酵罐 中。
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
实例：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M乙酰谷氨酰胺。
监控要点二
及时添加必需的营养 物质组分来延长菌体 生长稳定期的时间， 以得到更多的发酵产
物
发酵罐内 分离提纯 获 得
发酵 产物 产品
监控要点三
严格控制温度、pH、 溶解氧、通气量与 转速等发酵条件
监控要点一
检测培养液中的微生 物数量、产物浓度等
一、发酵工程的基本环节
发酵工程的中心环节
接种
选育菌种 分离、提纯产物的方法措施：
发酵产物类型 获得产品的方法
扩大培养 微生物细胞本身 过滤、沉淀等方法
代谢物 适当的提取、分离和纯化措施
发酵罐 分 离 、 获得
内发酵 提纯产物 产品
配置培养基 —— 灭菌
一、发酵工程的基本环节
接种
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
冷却水排出口 一冷却夹层
一发酵液
搅拌叶轮
一生物传感器
一空气入口
放料管
一、发酵工程的基本环节
抽取样本进 行检测
控制冷水
流速调节
罐温
一电动机
排气管
pH 计
调节罐压
①原料方面 ②产物方面
在低成本的培养基上能迅 生产所需代谢物的产量高
速生长繁殖
③菌体方面 ④设备方面
菌种不易变异、退化 发酵条件容易控制
思考 ·讨论 发酵工程基本环节分析
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
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
发酵工程基本环节分析
怎么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。
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
发酵工程基本环节分析
怎么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
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 。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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。
思考 ·讨论
二 、发酵工程的应用
(一)发酵工程的特点
◆生产条件温和
◆原料来源丰富且价格低廉
◆产物专一
◆废弃物对环境的污染小且容易处理
(二)发酵工程的应用
◆在食品工业上的应用
◆在医药工业上的应用
◆在农牧业上的应用
◆在其他方面的应用
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
□一空气入口
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
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
实例1:酱油的生产
黑曲霉
大豆 (蛋白酶)
(主要原料)
酿酒酵母
各种酒类
淋洗、调制
酱油
实例2:各种酒类的生产
小分子肽 和氨基酸
谷物或 水果
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
(2)生产各种各样的食品添加剂
①作用： 增加食品的营养，改善食品的口味、 色泽和品质，延长食品的保存期
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。
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
②实例：
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
(3)生产酶制剂
①实例： α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶 和脂肪酶等。
②作用： 用于食品的直接生产、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 和提高产量等方面。
③来源： 少数由动植物生产绝大多数通过发酵工程生产
使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和反腐剂
形成啤酒优良的泡沫
有利于麦芽汁的澄清
平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲
蒸煮 发酵 消毒 终止
产生风味组
分，终止酶
的进一步作 用，并对糖
浆灭菌。
杀死啤酒 中的大多 数微生物， 延长它的 保存期。
焙烤
加热杀死 种子胚但
不使淀粉
酶失活。
碾磨
将干燥 的麦芽 碾磨成 麦芽粉。
啤酒花
糖化
发芽
大麦种 子发芽， 释放淀 粉酶。
思考 ·讨论 啤酒的工业化生产流程
过 滤 、 调节、 分装啤 酒进行 出 售 。
酵母菌 将糖转 化为酒
精和CO
淀粉分 解，形 成糖浆。
二、发酵工程的应用
冷却 过滤
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。另一方面，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。
二、发酵工程的应用 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，在上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.在医药工业上的应用
(1)应用实例：生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂。
(2)应用途径：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产品。
③利用基因工程，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 ，获得疫苗。
例：将乙型肝炎病毒的抗原基因转
入酵母菌，再通过发酵生产。
二、发酵工程的应用
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料
【原理】①利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等
来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。
②利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从 而减少病害的发生。
常见的有根瘤菌肥、 固氮菌肥等。
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
【原理】利用微生物或其代谢物来繁殖病虫害。
微生物或代谢产物
防治病虫害种类
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
纹枯病
规格：15克*400袋/箱
井冈霉素
井冈霉素
剂 型 ： 可溶粉剂
井冈霉素
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。
用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；
实例 ：
单细胞蛋白制成微生物饲料，提高家禽增重快， 产奶量或产蛋量高。
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。
3.在农牧业上的应用
(3)生产微生物饲料 微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。
二、发酵工程的应用
二、发酵工程的应用
4.在其他方面的应用
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、
健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
(2)对极端微生物(生活在高温、高压、高盐和低温环境)的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
(1)解决资源短缺和环境污染问题
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质
课堂练习
1.发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是
A.黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种
B.啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品
C. 用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题
D.用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗
病毒不能独立在液体培养基中生活
2.下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述，错误的是
A. 生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油
B.生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的
营养 食品添加剂可以增加食品营养，改善食品口味、色泽和品质。
C.生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得
D.生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产
二、发酵工程的应用
一 、概念检测
1.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。判断下列相关表述是否正确。
(1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发 酵 ( × )
(2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。 ( √ )
(3)在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖， 也会影响微生物的代谢途径。 ( )
(4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。 ( × )
练习与应用
二、拓展应用
1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识 或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。
(1)青霉素发酵是高耗氧过 程 ，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高
效地供氧呢 (提示：血红蛋白具有携带0,的能力)
可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对
氧的吸收和利用率。
(2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径 的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体， 这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。 如何改造青霉素生产 菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢
可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉
素生产菌只生产一种产物。
练习与应用
2.通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各
种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按 一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙 醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用 乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO 、CO 等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”; 但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增
加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一 风险，并说明在生产时应如何规避这风险。
存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食
(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产
燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。
糖类
作物
自然界
光合 作用
CO
汽车
发酵
乙 醇
练习与应用
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