发酵工程及应用2025-2026学年高二下学期生物人教版选修性必修3

人教版高中生物学选择性必修3《生物技术与工程》第1章第3节

发酵工程及应用1.概述发酵工程及其基本环节。2.举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。教学目标

情境导入

青霉素简史

青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。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？发酵工程

发酵工程：是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。发酵工程的实现途径需要解决哪些核心问题？发酵工程的基本环节

发酵工程主要包括哪些环节?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、提纯产物获得产品思考:最初弗莱明发现的青霉菌产量极低，每毫升发酵液仅能产生几单位青霉素，无法满足生产需求，如何获得高产的青霉素菌种?1.菌种选育发酵工程的基本环节

活动一：小组讨论“高产青霉素菌种的选育方法”，结合教材知识和课前收集的资料，列举可能的选育方式，并说明理由。菌种来源：①自然界中筛选从发霉培养皿中筛选出青霉菌②诱变育种通过紫外线、X射线等诱变处理青霉菌，筛选出高产的突变株③基因工程育种通过基因工程技术，优化青霉素合成关键基因并构建工程菌，进一步提高产量发酵工程的基本环节

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。选育的菌种能直接用于发酵生产吗?2.扩大培养目的：原因：扩大培养的培养基：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扩大培养的培养基：一般为液体培养基。可以使微生物与营养物质充分接触，提高营养物质的利用率，有利于微生物的繁殖获得更多的菌种发酵工程的基本环节

思考：高产青霉菌株在工业生产中是在发酵罐中培养的，罐中需要装入专门的培养基。结合青霉菌的代谢特点，你认为青霉素生产的培养基需要满足哪些要求?活动二分析青霉菌发酵培养基中各成分的作用，思考:为什么用乳糖不是葡萄糖?为何花生饼粉成为青霉素工业生产的常用原料?发酵工程的基本环节

花生饼粉原料易得,价格低,营养丰富,适合工业化生产。碳源，为青霉菌提供能量和物质原料氮源，为合成蛋白质、核酸等提供氮元素无机盐，维持生命活动的“微量元素”；调节培养基渗透压；作为酶的辅因子等葡萄糖是“速效糖”，会导致菌体快速生长却抑制青霉素合成。乳糖为缓释糖,能稳定供能,避免“分解代谢阻遏”,保障青霉素长期合成青霉素G侧链的关键原料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、提纯产物获得产品在菌种确定之后，结合菌种代谢特点，要___________制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过____________才能确定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。应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。反复试验选择原料发酵工程的基本环节

3.配置培养基工业发酵罐中一般使用液体培养基，便于搅拌、通气，使微生物与营养物质充分接触发酵工程的基本环节

4.灭菌发酵是纯培养过程，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，导致产量大降低，发酵失败。培养基和发酵设备青霉素生产中被杂菌污染，杂菌分泌青霉素酶，将青霉素分解。对生产环境需进行消毒处理对通入的空气进行灭菌所用菌种多是单一菌种,一旦有杂菌污染,可能导致产量大大降低避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量灭菌原因：灭菌目的：灭菌对象：实例：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、提纯产物获得产品地位：注意事项：发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。①

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

要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。③

及时添加必需的营养组分，发酵工程的基本环节

5.接种6.发酵罐内发酵（6）发酵罐内发酵需要注意哪些问题？原因：实例：使用发酵罐优点：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。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发酵工程的基本环节装置编号主要用途A1-A3A4B1-B5C1C2C3D1D2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工程的基本环节

发酵工程的基本环节

活动三情景模拟:你是一名发酵工程师，在进行青霉素生产时应该监控哪些发酵条件?目的是什么?培养物或营养物质的加入口观察孔取样管电动机排气管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温度传感器和控制装置冷却水进入口阀门放料管抽取样本进行检测调节罐温（放气）调节罐压使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热控制溶解氧发酵工程的基本环节

发酵工程的基本环节

发酵完成后，发酵液中除了青霉素，还有菌体、杂质等，如何提取高纯度青霉素?7.分离、提纯产物①微生物细胞本身:发酵结束之后,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥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。②代谢物:发酵产品青霉素的特性:对温度和pH敏感易溶于有机溶剂水溶性差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、提纯产物获得产品发酵工程的基本环节

8.获得产品进行精制、干燥，获得青霉素成品思考讨论:对于青霉素发酵时排出的气体和产生的废弃培养液，工厂应该怎么处理?在进行发酵生产时，青霉菌及其代谢物中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。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

发酵条件容易控制；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？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。发酵工程的基本环节分析

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、过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程：使用的分离和提纯产物的方法较多。常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换，液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。发酵工程的优点：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。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。过渡发酵工程的基本环节分析

发酵工程的应用

在食品工业上的应用①

生产传统的发酵产品酱油大豆(主要原料)黑曲霉(蛋白酶)小分子肽和氨基酸淋洗、调制酱油的生产谷物或水果酿酒酵母各种酒类各种酒类的生产发酵工程的应用

啤酒的工业化生产流程：发芽12焙烤3碾磨4糖化大麦水糖化罐大麦种子发芽，释放淀粉酶。加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。淀粉水解形成糖浆。发酵工程的应用

啤酒的工业化生产流程：蒸煮56发酵7消毒8终止产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。酵母菌将糖转化为酒精和CO2杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。过滤、调节、分装啤酒进行出售。糖浆啤酒花冷却过滤装瓶装罐储存罐发酵工程的应用

啤酒的工业化生产流程：加啤酒花冷却接种过滤发芽1焙烤2碾磨3糖化4蒸煮5发酵6消毒7终止8主发酵后发酵过程概述：（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____________________________________________________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发酵工程的应用

啤酒的工业化生产流程：加啤酒花冷却接种过滤发芽1焙烤2碾磨3糖化4蒸煮5发酵6消毒7终止8主发酵后发酵(4)图中③的作用是_____________________________________________。(5)图中④的作用是_____________________________________________。(6)图中⑤的作用是_____________________________________________。(7)图中⑥的作用是_____________________________________________。(8)图中⑦的作用是_____________________________________________。将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。淀粉水解形成糖浆。产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。酵母菌将糖转化为酒精和CO2杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。发酵工程的应用

在食品工业上的应用②

生产食品添加剂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、溶菌酶添加了柠檬酸的饮料增加食品的营养；延长食品的保存期；改善食品的口味、色泽和品质食品添加剂的作用：发酵工程的应用

在食品工业上的应用②

生产食品添加剂淀粉淀粉酶葡萄糖黑曲霉柠檬酸合成酶谷氨酸棒状杆菌发酵谷氨酸味精处理氧气实例2——味

精柠檬酸实例1——柠檬酸发酵工程的应用

在食品工业上的应用③

生产酶制剂常见酶制剂

α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶酶制剂应用

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。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。发酵工程的应用

在医药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微生物直接改造微生物转入微生物病原体的抗原基因转入发酵工程药物药物疫苗各种抗生素多种氨基酸多种激素多种免疫调节剂发酵工程的应用

在医药工业上的应用①

生产微生物肥料微生物肥料：利用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、增强植物抗病性和抗逆性。常见微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥发酵工程的应用

在医药工业上的应用②

生产微生物农药微生物农药的作用:防治类型:

实例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）水稻枯纹病利用微生物或其代谢物来防治病虫害属于生物防治发酵工程的应用

在医药工业上的应用③

生产微生物饲料微生物饲料原理：常见微生物饲料：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。