【生物】微生物的选择培养和发酵工程及其应用课件 2023-2024学年高二下人教版选择性必修3

第1章发酵工程第3节发酵工程及其应用从传统发酵技术到发酵工程科学家发现了酶在酵母菌发酵中的作用，之后微生物的分离和纯化技术得到了应用。1897年用微生物生产谷氨酸获得成功，酶制剂、多糖、维生素发酵工业兴起。1957年科学家开始运用数学、动力学、化学工程原理以及计算机技术对发酵过程进行综合研究。20世纪80年代以后法国微生物学家巴斯德通过实验证明酒精发酵是由活的酵母菌引起的，从而将酵母菌与发酵联系起来。1857年利用发酵工程大规模生产青霉素，随着链霉素、金霉素和土霉素等抗生素的发现及生产，抗生素发酵工业兴起。20世纪40年代基因工程。细胞工程等发展，人胰岛素和干扰素大量生产。20世纪70年代以后190019401960185019801970约9000年前我们祖先就会利用微生物将谷物、水果发酵为含酒精的饮料。对发酵原理的认识微生物纯培养技术的建立密闭式发酵罐的成功设计大规模生产发酵产品发酵工程目录CONTENTS发酵工程的应用2/发酵工程的基本环节1/01发酵工程的基本环节一发酵工程的基本环节接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品发酵工程的基本环节一般包括：P23--24有没有熟悉的环节？接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品（1）目的：获得

。性状优良的菌种(2)优良菌种特点：问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？P23第一，应选择高产的菌种，使菌种的发酵产物中，

需要的产物多，不需要的产物少；第二，培养基来源充足且廉价，被转化的效率高；第三，菌种发酵产物易于分离；第四，菌种对环境没有明显或潜在的危害；第五，菌种的遗传特性和生产能力稳定；第五，菌种的遗传特性和生产能力稳定；接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品（4）实例

生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉。使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程、缩短生产周期。自然界中筛选诱变育种基因工程育种（3）菌种来源

、________或

。问2.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)P28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。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品问2.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)P28(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。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品（5）菌种选育的重要性（意义）菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品

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，再进行培养。1.目的：增加菌种数量，缩短生产周期2.原因：3.菌种扩大培养的最佳时期：

将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品问题2:扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？为什么用该类型培养基？发酵工程一般使用液体培养基

液体使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品在菌种确定之后，需选择原料制备培养基。(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。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。

（即不断优化培养基）发酵培养基要求菌种能大量生产目的产物，所用原料廉价且易于获得。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品1.灭菌操作：

在发酵之前必须采用高压蒸汽对大型发酵罐、培养基和附属设备进行灭菌。2.原因：发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大幅下降。例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。3.产量大幅下降原因：杂菌与菌种之间形成的种间竞争关系使产量下降；杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品将____________的菌种投放到________中发酵罐扩大培养后电动机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接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品（1）地位

发酵罐内发酵是发酵工程的

。

（2）要求①发酵过程中，要________培养液中___________、________等，以____________；②要及时添加

，要严格控制_____、____和______等发酵条件。随时检测中心环节微生物数量产物浓度了解发酵进程必需的营养组分温度pH溶解氧接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品（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

和

条件下会积累谷氨酸；②在

条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。中性弱碱性酸性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。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品（5）现代发酵工程使用的发酵罐的优点均有

，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________。计算机控制系统监测控制反馈控制最佳状态问3：引起发酵罐内培养液的温度和pH变化的原因有哪些？温度：原因：微生物分解有机物释放的能量，机械搅拌也会引起温度升高。

方法：常用冷却水进行温度的调节问4：发酵工程中如何调节温度和pH?pH：原因：培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。

方法：是在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品（1）目的：

。（2）产品的两种形式①______________；②_________。（3）采取手段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_____、_____等方法将菌体_____和_____，即可得到产品。②如果发酵产品是代谢物，可

采取____的_____、_____和_____措施来获得产品。微生物细胞本身获得产品代谢物过滤沉淀分离干燥根据产物的性质适当提取分离纯化接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品问5：发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理?P23为了减少或避免污染物的产生和排放，二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。问6：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？P23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。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。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品产品类型主要产物微生物菌体细胞酵母菌、食用菌、微生物农药微生物酶类各种酶、酶制剂和各种曲类微生物代谢产物初级代谢产物，如氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白质、核酸和维生素；次级代谢产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物微生物转化产物利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系，将一种化合物转化成含有特殊功能基团的产物。例如，将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，将甾体转化成甾体激素工程菌发酵产物通过基因工程和细胞工程创造出许多具有特殊功能的“工程菌”，用发酵技术生产更多更好的产品，发挥更大的经济效益动植物细胞的产物通过大规模培养木瓜细胞，生产木瓜蛋白酶；利用植物细胞培养技术生产天然食用色素等发酵工程产品的主要类型根据发酵工程的基本环节，尝试归纳出发酵工程的实质是什么？利用微生物进行产品生产发酵工程的概念：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。原理：发酵原理和工程学原理发酵工程原理概念基本环节实质产物发酵原理和工程学原理通过微生物的大量繁殖获得所需产品代谢物或微生物细胞本身问题:发酵工程相比传统发酵技术有什么优点？在哪些方面有运用呢？一发酵工程的基本环节二发酵工程的应用发酵工程的特点：生产条件温和原料来源丰富且价格低廉废弃物对环境污染小且容易处理产物专一发酵工程这么好在我们生活中有哪些应用呢？一发酵工程的基本环节02发酵工程的应用通过这张表格你能总结发酵工程在哪些领域应用吗？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在食品工业上的应用传统的发酵产品食品添加剂酶制剂利用黑曲霉生产酱油利用酵母菌生产酒类利用黑曲霉生产柠檬酸利用谷氨酸棒状杆菌生产味精淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等明显提高产品的产量和质量增加食品的营养，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一发酵工程的基本环节1.在食品工业上的应用你喝过啤酒吗？你喜欢喝啤酒吗？你知道啤酒是怎么制作的吗？一发酵工程的基本环节1.在食品工业上的应用接种啤酒的工业化流程二发酵工程的应用冷却过滤过程概述：（1）啤酒的发酵过程分为__________和__________两个阶段；（2）主发酵阶段完成__________________________________________________（3）后发酵的条件____________________________________________________（4）焙烤的目的：____________________________________________________（5）蒸煮的目的：_________________________________1.在食品工业上的应用二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵主发酵冷却消毒终止后发酵过滤加啤酒花过程概述：（1）啤酒的发酵过程分为__________和__________两个阶段；（2）主发酵阶段完成__________________________________________________（3）后发酵的条件____________________________________________________（4）焙烤的目的：____________________________________________________（5）蒸煮的目的：____________________________________________________主发酵后发酵酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成低温、密闭的环境下储存一段时间加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌接种二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用（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。酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。（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？思考讨论二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用思考讨论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。类别“精酿”啤酒“工业”啤酒原料是否添加食品添加剂麦芽汁浓度发酵时间特点只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等不添加添加

较高，口味浓郁较低，口味清淡长，可达2个月短，通常7天左右产量低、价格高产量高、价格低二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用思考讨论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1.在食品工业上的应用淀粉黑曲霉淀粉酶葡萄糖柠檬酸合成酶柠檬酸谷氨酸棒状杆菌发酵氧气谷氨酸处理味精（1）柠檬酸（酸度调节剂）（2）味精（3）食品添加剂的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二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用（4）常用的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、溶菌酶添加了柠檬酸的饮料二、发酵工程的应用1.在食品工业上的应用食品添加剂≠违法添加物

公众谈食品添加剂色变，更多的原因是混淆了非法添加物和食品添加剂的概念，把一些非法添加物的罪名扣到食品添加剂的头上显然是不公平的。《国务院办公厅关于严厉打击食品非法添加行为切实加强食品添加剂监管的通知》中要求规范食品添加剂生产使用：严禁使用非食用物质生产复配食品添加剂，不得购入标识不规范、来源不明的食品添加剂，严肃查处超范围、超限量等滥用食品添加剂的行为，同时要求在2011年年底前制定并公布复配食品添加剂通用安全标准和食品添加剂标识标准。二、发酵工程的应用③生产酶制剂1.概念：从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。2.来源：少数由动植物生产绝大多数通过发酵工程生产3.应用：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。4.产品：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂。探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶1.在食品工业上的应用基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合动植物的基因转入微生物直接改造微生物病原体的抗原基因转入微生物发酵工程药物药物疫苗二、发酵工程的应用2.医药工业上的应用人们可以采用基因工程等的方法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。改造菌种02人们可以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;工程菌01科学家还利用基因工程，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，获得的表达产物就可以作为疫苗使用疫苗03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未来可能用微生物来生产过去只能从植物中提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产疫苗阅读课本26页第2-3段，明确发酵工程在医药工业上有哪些应用？二、发酵工程的应用2.医药工业上的应用二、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。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微生物农药作为______________的重要手段生物防治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）水稻枯纹病二、发酵工程的应用3.在农牧业上的应用项目微生物农药防治化学农药防治防治机理优点缺点利用微生物或代谢物进行防治成本低、无污染，可以维持生态平衡防治速度慢利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治见效快，操作简单成本高，污染环境，不利于维持生态平衡微生物农药防治和化学农药防治的比较二、发酵工程的应用4.其他方面的应用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；应用：生产过程：食品添加剂、微生物饲料；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。③实例2——乳酸菌单细胞蛋白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还需要铁、锌等微量元素二、发酵工程的应用利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质②对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温等环境）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解决资源短缺与环境污染问题

发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决

、

、

和

等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。粮食环境能源健康4.其他方面的应用总结食品工业医药工业生产传统发