1.3发酵工程及其应用+新教材课件-【知识精研+拓展延伸】高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

1.3发酵工程及其应用

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。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。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？

从社会中来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、提纯产物获得产品青霉素一.发酵工程的基本环节(1)菌种的选育：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。(2)扩大培养：接入的菌种总体积需要的量大，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。（快速增加菌种数量）(3)配制培养基：结合菌种的代谢特点配制培养基。(4)灭菌：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。避免因杂菌污染而影响产品品质和产量一.发酵工程的基本环节(5)接种。将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。(6)发酵罐内的发酵：这是发酵工程的中心环节。①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。②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；并进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。发酵罐排气管排出口温度进入口空气电动机D1排气管C3pH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A2A3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冷却水进入口装置编号主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、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。发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节一.发酵工程的基本环节(7)分离、提纯产物①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。②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)获得产品探讨点发酵工程基本环节分析及应用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的因素：能在低成本的

上生长，且大量高效地合成产物；发酵条件如

、

、

等易控制；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。核心探讨突破重难强化素养培养基温度pH溶解氧2.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？提示不能。因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。二.发酵工程的应用1．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、废弃物对环境的污染小且容易处理。二.发酵工程的应用2．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。②生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。③生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶等。生产传统的发酵产品发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高大豆中蛋白小分子肽和氨基酸酱油黑曲霉淋洗、调制各种谷物、水果酿酒酵母各种酒类利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类二.发酵工程的应用(1)在食品工业上的应用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、溶菌酶二.发酵工程的应用(1)在食品工业上的应用生产各种各样的食品添加剂生产酶制剂a-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。目前，已有50多种酶制剂成功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品产量等方面。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(1)在食品工业上的应用一.发酵工程的基本环节

啤酒的工业化生产流程二.发酵工程的应用

啤酒的工业化生产流程

我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵主发酵消毒终止后发酵完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。啤酒的工业化流程

二.发酵工程的应用思考讨论P231.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？【答案】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？“【答案】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。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、保质期短、价格昂贵的问题。二.发酵工程的应用(2)在医药工业上的应用如生产抗生素、氨基酸、激素、免疫调节剂等。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。利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素(2)在医药工业上的应用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。如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。二.发酵工程的应用二.发酵工程的应用(3)在农牧业上的应用利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥生产微生物肥料微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的

、

等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。有机酸生物活性物质生产微生物农药微生物农药是利用

或

来防治病虫害的。微生物农药作为

的重要手段，微生物其代谢物生物防治例子：利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫，

一种放线菌产生的抗生素-井冈霉素可防治水稻枯纹病。二.发酵工程的应用(3)在农牧业上的应用生产微生物饲料微生物含有丰富的

。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

，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高；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。微生物菌体蛋白质二.发酵工程的应用(3)在农牧业上的应用2023/11/1（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。二.发酵工程的应用(4)在其他方面的应用

具体应用 成果在食品工业上的应用利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类生产各种各样的食品添加剂利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等在医药工业上的应用通过工程菌生产药物通过改造菌种生产药物在农牧业上的应用生产微生物肥料生产微生物农药 生产微生物饲料 在其他方面的应用解决资源短缺和环境污染问题对极端微生物的利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂生产传统的发酵产品利用黑曲霉发酵生产柠檬酸、利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸生产酶制剂利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得大量微生物菌体用于饲料生产(1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌(

)(2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺(

)(3)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理(

)(4)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体(

)判断正误×√×√1.发酵工程的正确操作过程是①发酵②培养基的配制③灭菌④产品的分离与提