发酵工程及其应用【教学课件】 2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第1章

发酵工程第3节

发酵工程及其应用从社会中来课前导入对发酵原理的认识微生物纯培养技术建立密闭式发酵罐设计成功严格控制环境条件(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化工程技术微生物的特定功能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（P1）1.发酵工程的概念：2.发酵工程出现的前提条件：阅读P22-P23的图1-9，思考下列问题：1、发酵工程所需的菌种只能从自然界筛选吗？选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？2、扩大培养的目的是什么？一般选择哪种培养基？3、为什么要对培养基和发酵设备进行严格的灭菌？4、发酵工程的中心环节是什么？有哪些注意事项？5、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？6、发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？7、排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？一、

发酵工程的基本环节选育菌种扩大培养接种灭菌配制培养基发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品发酵工程的基本环节和发酵罐示意图一、

发酵工程的基本环节（1）目的：获得性状优良的菌种（2）菌种来源：（3）实例：①自然界中筛选②诱变育种③基因工程育种（常规菌）（工程菌）发酵工程中所用的菌种大多是___________，单一菌种1.选育菌种优良的菌种是提高发酵产物的质量和产量的首要条件。生产柠檬酸黑曲霉生产啤酒啤酒酵母思考：发酵工程选用的菌种时需要考虑哪些因素?（p23）①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；②菌种不易变异、退化等；③发酵条件易控制；④生产所需代谢物的产量高工业发酵罐的体积一般为几十立方米到几百立方米，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。(1)目的：(2)扩大培养的培养基（物理性质）：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。增加菌种数量，缩短生产周期。一般为液体培养基。2.扩大培养3.配制培养基配置要求：②注意：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）发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。4.灭菌在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。5.接种将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。在菌种确定之后，结合菌种代谢特点

选择原料制备培养基；原因：②实例：（1）发酵过程的监控①发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，了解发酵进程。②及时添加必需的营养组分。③严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。（2）严格控制发酵条件的原因（3）

监控系统：环境条件不仅影响微生物生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。谷氨酸的发酵生产中：谷氨酸棒状杆菌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N-乙酰谷氨酰胺。发酵过程中使用大型发酵罐均有计算机控制系统能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行检测和控制，还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。6.发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节培养物或营养物质的加入口观察孔取样管温度传感器及控制装置冷却水进入口阀门空气入口放料管生物传感器装置搅拌叶轮发酵液冷却夹层冷却水排出口pH计排气管电动机抽取样本进行检测调节罐温调节罐压控制溶解氧含量不断搅拌的目的：①使微生物得到充足的O2②使微生物与培养基充分接触，混合均匀；③有助于充分散热；④有利于固体物质在发酵液中保持悬浮状态。(4)发酵条件及相应的调节和控制方法：6.发酵罐内发酵发酵产物类型获得产品的方法过滤、沉淀等方法适当的提取、分离和纯化措施分离、提纯产物的方法措施：微生物细胞代谢物酱油味精啤酒青霉素根瘤菌7.分离、提纯产物8.获得产品怎么对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？思考1用计算机控制系统对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行监测和控制，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2思考∙讨论发酵工程基本环节分析P23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。项目发酵工程传统发酵技术区别菌种对发酵条件的控制产品处理生产规模和产品分离和提纯产物的方法较多。最后需要进行质量检查不会再对产物进行分离和提纯处理，或仅采用简单沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。通过微生物纯培养技术筛选或其他技术生产的优良菌种，大多是单一菌种原材料中天然存在的混合菌种严格无菌操作，防止杂菌污染。通过现代工程技术对发酵条件精确地控制，使发酵条件处于最佳状态不是无菌操作，容易受到杂菌污染，对发酵条件不能严格控制，易受外界条件影响生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本低，产物多样，产量高通常是家庭式或作坊式的，产量低，生产往往受季节和原料限制，产品风味品种比较单一，质量不稳定3.发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？阅读课本24-27页，思考以下问题。1、发酵工程有哪些特点？2、发酵工程在食品工程上的应用体现在哪些方面？举例说明？3、发酵工程在医药工程上的应用体现在哪些方面？举例说明？4、发酵工程在农牧业上的应用体现在哪些方面？举例说明？5、发酵工程在其他方面的应用体现在哪些方面？举例说明？二、发酵工程的应用产物专一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发酵工程的特点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发酵工程的应用二、发酵工程的应用（1）生产传统的发酵产品实例1：工业生产酱油实例2：工业生产酿酒大豆蛋白质小分子肽和氨基酸酱油谷物、水果酒精+CO2霉菌产生蛋白酶酵母菌无氧条件淋洗调制各种酒类1.在食品工业上的应用啤酒的工业化生产流程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。【思考

讨论】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。糖浆啤酒花过滤冷却装瓶装罐储存罐发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止加啤酒花冷却接种过滤主发酵后发酵酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。啤酒的工业化生产流程问题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。问题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？使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐剂稳定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问题3.蒸煮时啤酒花的作用是什么？1.在食品工业上的应用增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期。（2）生产各种各样的食品添加剂①食品添加剂的作用：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。添加了柠檬酸的饮料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、溶菌酶食品添加剂≠违法添加物（3）生产酶制剂概念：从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。来源：少数由动植物生产外，大多数通过发酵工程生产应用：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。产品：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。1.在食品工业上的应用2.在医药工业上的应用①利用基因工程将动植物基因转移至微生物细胞中，获得具有特殊生产能力的微生物，大量生产人们所需要的产品，如人胰岛素、干扰素等。②直接对菌种进行改造，通过发酵技术大量生产所需产品。生长激素释放抑制激素抑制生长激素的不适宜分泌治疗肢端肥大症50万个羊脑提取生长激素释放抑制激素5mg7.5L培养液提取生长激素释放抑制激素5mg③利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转移至微生物中，通过发酵技术大量获得疫苗。乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌生产乙型肝炎病毒的抗原疫苗④未来还可能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。紫杉醇：具有高抗癌活性，现已广泛用于乳腺癌等癌症的治疗。3.在农牧业上的应用（1）生产微生物肥料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，如：根瘤菌肥、固氮菌肥。②有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。微生物农药的作用机理：利用

或其

来防治病虫害生物防治微生物或代谢产物防治病虫害种类微生物代谢物苏云金杆菌(Bt毒蛋白)80多种农林害虫白僵菌(真菌)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（2）生产微生物农药防治类型：微生物农药防治和化学农药防治的比较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（3）生产微生物饲料微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%〜80%，而且细菌生长繁殖速度很快。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。其成分:不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质Ⅰ.用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；Ⅱ.单细胞蛋白制成微生物饲料，能使家禽增重快，产奶量或产蛋量高。②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。4.在其他方面的应用(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①极端微生物：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（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活②举例：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。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。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。(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。二、拓展应用课堂总结练习与应用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。（）×√√×一、概念检测1.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是 (

)A．菌种选育、