【公开课】发酵工程及其应用课件高二下学期生物人教版选择性必修3.pptx

1.3 发酵工程及其应用发酵工程及其应用 青霉素青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生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早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素少量青霉素，它，它的的价格贵如金价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路产业化生产的道路。如。如今，今，1 1瓶规格瓶规格160160万单位的青霉素注射剂的价格只万单位的青霉素注射剂的价格只要要1 1元左右元左右。这归功于。这归功于发酵工程发酵工程的发展的发展?从社会中来发酵工程：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。发酵工程有哪些环节呢发酵工程有哪些环节呢？选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品菌种来源：菌种来源：目目 的：的：实实 例：例：选产酸量高的选产酸量高的黑曲霉黑曲霉生产生产柠檬酸柠檬酸；使用基因工程改造的使用基因工程改造的啤酒酵母啤酒酵母生产生产啤酒啤酒。一、发酵工程的基本环节获得获得性状优良的菌种性状优良的菌种从自然界中筛选、从自然界中筛选、诱变育种诱变育种或或基因工程育种基因工程育种目的目的：获得获得更多的菌种更多的菌种。原因：原因：工业工业发酵罐的体积一般为几十到几百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，在发酵之前还需要到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行对菌种进行扩大扩大培养培养。选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节 即营养物质满足微生物的需要，营养物质的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浓度及配比恰当，物理、化学条件适宜等。物理、化学条件适宜等。配置培养基要遵循的原则：配置培养基要遵循的原则：配置配置的培养基要经过的培养基要经过反复试验反复试验才能大规模应用。才能大规模应用。选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节液体培养基液体培养基 在在青霉素生产过程中如果青霉素生产过程中如果污染了杂菌污染了杂菌，杂菌分泌，杂菌分泌青霉素酶青霉素酶就就会将会将青霉素分解青霉素分解掉。掉。发酵工程发酵工程所用的菌种所用的菌种大多数是单一大多数是单一菌种菌种，一旦受到杂菌污染一旦受到杂菌污染，可能可能导致导致产量大大降低产量大大降低。培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌原因原因：实例：实例：选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节将将扩大培养后扩大培养后的菌种投放到的菌种投放到发酵罐发酵罐中中选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节【发酵工程的中心环节】及时及时添加添加必需的必需的营养组分，营养组分，以以得到更多的发酵产物；得到更多的发酵产物；发酵过程发酵过程的的监测和控制监测和控制：随时随时检测检测培养液中的培养液中的微生物数量、产物浓度微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；等，以了解发酵进程；严格严格控制控制温度、温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵、溶解氧、通气量与转速等发酵条件条件。选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节计算机控制系统计算机控制系统 环境条件不仅会影环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖响微生物的生长繁殖，而且会，而且会影响微生物代影响微生物代谢物的形成谢物的形成。发酵过程中发酵过程中为什么要为什么要控制发酵条件控制发酵条件呢？呢？实例：谷氨酸的发酵生产：在实例：谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-N-乙酰谷氨酰胺。乙酰谷氨酰胺。选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节【发酵工程的中心环节】方便抽样方便抽样检测检测调节罐温调节罐温调节罐压调节罐压混合均匀；混合均匀；O2溶解；溶解；散热散热。调节溶解氧调节溶解氧发酵产物类型发酵产物类型获得产品的方法获得产品的方法微生物细胞本身微生物细胞本身代谢物代谢物过滤、沉淀过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥等方法将菌体分离和干燥适当的适当的提取、提取、分离分离和和纯化纯化措施措施选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵 分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节措施：措施：蒸馏、萃取、离子交换蒸馏、萃取、离子交换等等讨论1：l繁殖快；繁殖快；l产量高；产量高；l成本低；成本低；l菌种稳定；菌种稳定；微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需考虑哪些因素？讨论2：对温度、对温度、pH、溶解氧等、溶解氧等发酵发酵条件严格条件严格控制控制，使其最适合微生，使其最适合微生物的生长繁殖，同时物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分及时添加必要的营养组分。怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？讨论3：传统发酵传统发酵技术技术很多很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采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用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。发酵工程发酵工程产物无论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。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？讨论4：二二次清洁或灭菌处理次清洁或灭菌处理。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？二、发酵工程的应用生产条件温和生产条件温和原料来源丰富且价格低廉原料来源丰富且价格低廉产物专一产物专一废弃物对环境的污染小和容易处理废弃物对环境的污染小和容易处理发酵工程的优点发酵工程的优点 发酵工程在发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的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。应用，形成了规模庞大的发酵工业。（1）生产传统的发酵食品）生产传统的发酵食品 以以大豆大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌(如如黑曲霉黑曲霉)，将原将原料料中中的的蛋蛋白白质质水水解解成成小小分分子子的的肽肽和和氨氨基基酸酸，然然后后经经淋淋洗洗、调调制制成成的的酱油酱油产品。产品。用于调味的生抽酱油用于调味的生抽酱油用于调色的老抽酱油用于调色的老抽酱油二、发酵工程的应用1、在食品工业上的应用、在食品工业上的应用大麦大麦水水1发芽发芽大麦种子发芽，大麦种子发芽，释放释放淀粉酶淀粉酶。2焙烤焙烤加热杀死种子胚但加热杀死种子胚但不使不使淀粉酶失活淀粉酶失活。3碾磨碾磨将干燥的麦芽碾磨将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。成麦芽粉。4糖化糖化淀粉水解淀粉水解形成糖浆。形成糖浆。糖化罐糖化罐 我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦大麦为主要原料经酵母菌发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为主发酵和后发酵两两个阶段个阶段。以以谷物或水果谷物或水果等为原料，利用等为原料，利用酿酒酵母酿酒酵母发酵产生的各种发酵产生的各种酒类。酒类。5蒸煮蒸煮产生风味组分，产生风味组分，终止终止酶的进酶的进一步作用，并对糖浆一步作用，并对糖浆灭菌灭菌。6发酵发酵酵母菌将糖转化酵母菌将糖转化为酒精和为酒精和CO27消毒消毒杀死啤酒中的大多数微杀死啤酒中的大多数微生物，生物，延长保存期延长保存期。8终止终止过滤、调节过滤、调节、分装、分装啤酒进行出售。啤酒进行出售。糖糖浆浆啤酒花啤酒花冷冷却却过过滤滤瓶瓶装装罐罐装装储存罐储存罐 食品添加剂不仅可以食品添加剂不仅可以增加食品的营养增加食品的营养，改善食品的，改善食品的口味口味、色泽色泽和和品质品质，有时还可以有时还可以延长食品的保存期延长食品的保存期。添加剂类型添加剂类型举例举例酸度调节剂酸度调节剂L-苹果酸、苹果酸、柠檬酸柠檬酸、乳酸、乳酸增味剂增味剂5-肌苷酸二钠、谷氨酸钠肌苷酸二钠、谷氨酸钠着色剂着色剂-胡萝卜素、红曲黄色素胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂增稠剂黄原胶、黄原胶、-环状糊精、结冷胶环状糊精、结冷胶防腐剂防腐剂乳酸链球菌素、溶菌酶乳酸链球菌素、溶菌酶常见的几类食品添加剂常见的几类食品添加剂添加了柠檬酸的饮料添加了柠檬酸的饮料 柠檬酸柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉黑曲霉的发酵制得。的发酵制得。（2）生产各种各样的食品添加剂生产各种各样的食品添加剂1、在食品工业上的应用、在食品工业上的应用 由由谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到发酵可以得到谷氨酸谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制作，谷氨酸经过一系列处理就能制作味精味精。（2）生产各种各样的食品添加剂生产各种各样的食品添加剂1、在食品工业上的应用、在食品工业上的应用常用的酶制剂如常用的酶制剂如-淀粉酶淀粉酶、-淀粉酶淀粉酶、果胶酶果胶酶、氨基肽酶氨基肽酶和和脂肪酶脂肪酶等。等。目前酶制剂已经广泛应用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生目前酶制剂已经广泛应用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。产过程、改善产品品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。酶制剂少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。酶制剂少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。（3）生产酶制剂生产酶制剂1、在食品工业上的应用、在食品工业上的应用 发酵工程生产的药物发酵工程生产的药物l各种各种抗生素抗生素l多种多种氨基酸氨基酸l多种多种激素激素l多种多种免疫调节剂免疫调节剂基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合动植物的基因动植物的基因转转入入微生物微生物发酵发酵工程工程药药物物直接改造微生物直接改造微生物病原体的抗原基因病原体的抗原基因转转入入微生物微生物疫疫苗苗2、在、在医药工业医药工业上的应用上的应用微生物复合肥微生物复合肥（1）生产微生物肥料）生产微生物肥料 微生物肥料利用了微生物在代谢微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质过程中产生的有机酸、生物活性物质等来等来增进土壤肥力，改良土壤结构，增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长促进植株生长，常见的有，常见的有根瘤菌肥、根瘤菌肥、固氮菌肥固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以等。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。减少病害的发生。3、在、在农牧业农牧业上的应用上的应用与传统化学农药不同，微生物农药是利用与传统化学农药不同，微生物农药是利用微生物或其代谢物微生物或其代谢物来防治病虫害来防治病虫害微生物或生产出的药物防治对象苏云金芽孢杆菌80多种农林虫害白僵菌玉米螟、松毛虫等一种放线菌生产的抗生素井冈霉素水稻枯纹病（2）生产微生物农药）生产微生物农药3、在、在农牧业农牧业上的应用上的应用通过通过发酵获得了大量的发酵获得了大量的微生物菌体微生物菌体，即，即单细胞蛋白单细胞蛋白，用单细胞蛋白制，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。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。（3）生产微生物饲料）生产微生物饲料3、在、在农牧业农牧业上的应用上的应用 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决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、环粮食、环境、健康和能源境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。l解决资源短缺和环境污染问题。如如利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。等能源物质。l对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用。如如利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂。4、在其他方面的应用在其他方面的应用二、发酵工程的应用课堂检测完成师说小册子检测案4p28练习与应用；p30复习与提高