1.3发酵工程及其应用 课件（37张1个视频）-2025-2026学年高二下学期《生物》（人教版）选必修3

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，价格贵如金。
在工业上，青霉素是怎样生产的？
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160万单位青霉素注射剂的价格只要1元左右
第一章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐成功设计
严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
大规模生产发酵产品
现代工程技术
微生物的特定功能
发酵工程
发酵工程是指利用 的特定功能，通过 技术，
生产对 有用的产品。它涉及菌种的 和 、
产物的 和 等方面。
微生物
现代工程
规模化
人类
选育
培养
分离
提纯
一、发酵工程的基本环节
01
菌种的选育
02
扩大培养
03
培养基的配制
04
灭菌
接种
05
06
发酵
1.选育菌种
(1)目的:
获得 .
性状优良的菌种
(2)菌种来源：
、 或 .
自然界中筛选
诱变育种
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:
筛选 用来生产柠檬酸；
产酸量高的黑曲霉
使用 ，加速发酵、缩短生产周期。
基因工程改造的啤酒酵母
07
产品的分离、
提纯
08
获得
产品
一、发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
2.扩大培养
(1)目的:
增加 ，缩短生产周期
菌种数量
(2)原因：
工业发酵罐体积
（几十 ~ 几百m3）
接入的菌种总体积
（几 ~ 几十m3）
(3)扩大培养的培养基：
一般为 .
液体培养基
怎样对菌种进行扩大培养？
将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。
产品的分离、
提纯
获得
产品
一、发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
3.培养基的配制
(1)配制要求:
①在菌种确定之后，（结合 ）选择原料制备培养基；
菌种代谢特点
③在生产实践中，培养基的配方要经过 才能确定
（即不断优化培养基）；
反复试验
②培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面
的营养要求，并为微生物提供适宜的pH，以利于产物的合成。
④应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。
产品的分离、
提纯
获得
产品
一、发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
4.灭菌
(1)灭菌原因:
发酵工程种所用的菌种大多是 ，
一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低。
单一菌种
(2)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
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。
在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。
产品的分离、
提纯
获得
产品
一、发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
5.接种:
将扩大培养后的菌种投放到 中。
发酵罐
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}装置编号
主要用途
A1-A3
A4
B1-B5
C1、C2
C3
D1、D2
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测
通过控制冷水流速调节罐温
调节罐压
电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
产品的分离、
提纯
获得
产品
一、发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
5.接种:
将扩大培养后的菌种投放到 中。
发酵罐
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
均有 ，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 和
，还可以进行 ，使发酵全过程处于 。
现代发酵工程使用的发酵罐的优点：
计算机控制系统
监测
控制
最佳状态
反馈控制
产品的分离、
提纯
获得
产品
一、发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
6.发酵罐内发酵:
(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 培养液中 、 等，
以 ；
随时检测
微生物数量
产物浓度
了解发酵进程
②要及时添加 ，要严格控制 、 和 等
发酵条件。
必需的营养物质
温度
pH
溶氧量
(3)严格控制发酵条件的原因：
①环境条件不仅会影响 ，而且影响微生物 ；
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于 。
微生物的生长繁殖
代谢物的形成
最佳状态
产品的分离、
提纯
获得
产品
一、发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
6.发酵罐内发酵:
(4)不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
①在 和 条件下会积累谷氨酸；
酸性
中性
弱碱性
②在 条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
拓展
①谷氨酸发酵常用菌种为谷氨酸棒状杆菌；
②谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其与有氧呼吸有关的
酶主要存在于细胞膜上；
③C:N的数值也会影响谷氨酸发酵过程：
C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；
C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。
产品的分离、
提纯
获得
产品
一、发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
产品的分离、
提纯
获得
产品
7.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 、 等
方法将菌体 和 ；
过滤
沉淀
分离
干燥
②发酵产品是代谢物时，可 采取 的 、 和
措施来获得产品。
根据产物的性质
适当
提取
分离
纯化
8.获得产品
【思考与讨论】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？
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
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。
①温度：可通过向冷却夹层通入冷水来调控；
②pH：可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱；
③需氧型：通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧；
④厌氧型的：需封闭空气入口，建立厌氧环境等。
发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等：
【思考与讨论】发酵工程基本环节分析
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。
【思考与讨论】发酵工程基本环节分析
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。
发酵工程相比传统发酵技术，有什么优点？
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 、 、 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。
食品工业
医药工业
农牧业
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
大豆(主要原料)
酱油的产生
各种酒类的生产
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
【思考与讨论】啤酒的工业化生产流程
【思考与讨论】啤酒的工业化生产流程
发芽
1
2
焙烤
大麦种子发芽，
释放 。
淀粉酶
加热 ， 但 。
3
碾磨
糖化罐
4
糖化
杀死种子胚
不使淀粉酶失活
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
【思考与讨论】啤酒的工业化生产流程
蒸煮
5
糖浆
啤酒花
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
冷却
6
发酵
过滤
7
消毒
装瓶
装罐
储存罐
8
终止
将糖转化为 和CO2
酵母菌
酒精
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
（无氧呼吸）
过滤、调节、
分装啤酒进行出售。
【思考与讨论】啤酒的工业化生产流程
1.啤酒的工业化生产流程主要分为 和 两个阶段。
主发酵
后发酵
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
主发酵
后发酵
主发酵
完成 ， 和 。
酵母菌的繁殖
大部分糖的分解
代谢物的生成
后发酵
要在 、 的环境下储存一段时间，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。
低温
密闭
【思考】1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
“通气”的目的是使酵母菌进行 ；
“密封”的目的是使酵母菌进行 。
有氧呼吸大量繁殖
酒精发酵产生酒精
【思考与讨论】啤酒的工业化生产流程
【思考】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。
【思考】3.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。
【思考】4.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？
【思考与讨论】啤酒的工业化生产流程
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。
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
(2)生产食品添加剂
①食品添加剂优点:
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 ;
可以通过 的发酵制得；
酸度调节剂
黑曲霉
③实例2——味精
由 发酵可以得到谷氨酸；
谷氨酸棒状杆菌
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
(2)生产食品添加剂
④常见的食品添加剂
{93296810-A885-4BE3-A3E7-6D5BEEA58F35}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
(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。
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：利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素。
(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。
例：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。
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。
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
乙型肝炎疫苗。
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
①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 、
等来增进 ，改良 ，促进 ；
有机酸
生物活性物质
土壤肥力
土壤结构
植株生长
有的微生物肥料可以抑制土壤中 ，从而减少病害的发生。
病原微生物的生长
②常见的微生物肥料：
根瘤菌肥、固氮菌肥
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：
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}微生物或代谢产物
防治病虫害种类
苏云金杆菌
白僵菌
一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素）
80多种农林害虫
玉米螟、松毛虫
水稻枯纹病
二、发酵工程的应用
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 ，且繁殖 。
丰富的蛋白质
速度快
②实例1
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 ，即 。
微生物菌体
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：
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。
微生物饲料利用的是微生物菌体而不是其代谢物
二、发酵工程的应用
4.在其他方面的应用
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。
(1)解决资源短缺与环境污染问题
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: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。
(2)将极端微生物应用于生产实践
练习与应用
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。（ ）
（3）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O2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。
练习与应用
二、拓展应用
(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
二、拓展应用
2.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。
感谢您的观看
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