【生物】发酵工程及其应用 2023-2024学年高二下学期 人教版2019选择性必修3.pptx

第1章 发酵工程第3节 发酵工程及其应用学习目标01发酵工程的概念及基本环节概念概念基本环节基本环节02发酵工程的应用在食品工业上的应用在食品工业上的应用:生产传统的发酵产品生产传统的发酵产品/食品添加剂食品添加剂/酶制剂酶制剂*啤酒的工业化生产流程啤酒的工业化生产流程在医药工业上的应用在医药工业上的应用在农牧业上的应用在农牧业上的应用:生产微生物肥料生产微生物肥料/农药农药/饲料饲料在其他方面的应用在其他方面的应用 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。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。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，一瓶规格霉素步入了产业化生产的道路。如今，一瓶规格160160万单位青霉素注射剂的价格只要万单位青霉素注射剂的价格只要1 1元左右。元左右。思考:在工业上，青霉素是怎样生产的？从社会中来传统发酵技术发酵工程利用天然存在的菌种，菌种差异、杂菌情况不明，发酵过程的控制缺乏标准，发酵食品的品质不一。缩短发酵时间，确保品质稳定微生物培养，筛选单一菌种，再接种到物料中发酵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。发酵工程发酵工程的概念发酵工程的基本环节1 1、随着人们对、随着人们对 的认识，的认识，技术的建立，以及技术的建立，以及 的的 设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下，大规模生产发酵产品，发酵工程设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下，大规模生产发酵产品，发酵工程 逐步形成。逐步形成。发酵原理发酵原理微生物纯培养微生物纯培养密闭式发酵罐密闭式发酵罐2 2、发酵工程的环节：、发酵工程的环节：选育菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵(中心环节)分离提纯产物获得产品发酵工程的基本环节选育菌种来源:从自然界自然界筛选通过诱变育种诱变育种或基因工程基因工程育种获得扩大培养实例:a.生产柠檬酸柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉产酸量高的黑曲霉。b.在啤酒生产啤酒生产中，使用基因工程基因工程改造的啤酒啤酒酵母酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期加速发酵过程，缩短生产周期。要求：性状优良的菌种需要考虑的因素包括：a.在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；b.生产所需代谢物的产量高；c.发酵条件容易控制；d.菌种不易变异、退化等。工业发酵罐接种量大，发酵之前发酵之前需对菌种进行扩大培养扩大培养目的:增加菌种的数量增加菌种的数量,缩短生产周期缩短生产周期方法:将培养到生长速度最快时期的菌体分开再进行培养将培养到生长速度最快时期的菌体分开再进行培养.发酵工程的基本环节配制培养基确定菌种后后，选择原料制备培养基，培养基配方常需要反复实验反复实验才能确定。要求:根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH，以利于产物的合成。应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。类型:一般用液体培养基液体培养基灭菌原因:发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量下降可能导致产量下降。要求:培养基培养基和发酵设备发酵设备都必须灭菌灭菌实例:在青霉素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分泌青霉素酶将青霉素分解掉。发酵工程的基本环节接种发酵罐内发酵(中心环节)方法:平板划线法和和稀释涂布平板法这是发酵工程的中心环节。了解发酵进程：随时检测培养液中的：随时检测培养液中的微生微生物数量物数量、产物浓度产物浓度等。等。及时添加必需的及时添加必需的营养组分。严格控制严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。等发酵条件。通气量、搅拌速度、罐压原因：环境条件不仅会影响微生物的生长影响微生物的生长繁殖繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成影响微生物代谢物的形成。同种微生物生长繁殖所需的最适温度和积累代谢物所需的最适温度往往不同。同一微生物由于培养环境pH不同，可能会积累不同的代谢物。实例:谷氨酸的发酵生产中，谷氨酸棒状杆菌在中性和弱碱中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸谷氨酸，在酸性酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和谷氨酰胺和N-N-乙酰谷氨酰胺。乙酰谷氨酰胺。现代发酵工程使用的发酵罐均有现代发酵工程使用的发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程进行，能对发酵过程进行检测和控制检测和控制；还可以进行还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。，使发酵全过程处于最佳状态。发酵工程的基本环节分离提纯产物产品是微生物细胞：采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥即可产品是代谢物：根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施获得产品思考讨论:1.1.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？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？2.2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？要对要对温度、温度、pHpH、溶解氧、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。同时及时添加必要的营养组分。在发酵工程：使用的分离和提纯产物的方法较多。使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的在产物的初分离阶段，常采用，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；等方法；在进一步在进一步纯化阶段，会采用，会采用液相层析法、结晶法液相层析法、结晶法等方法。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质量检查，合格后才能成为正式产品。，合格后才能成为正式产品。发酵工程的基本环节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。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。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分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、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产离、吸附和离子交换等方法；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。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。4.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。不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。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二次清洁或灭菌处理。处理。发酵工程的优点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发酵工程的应用在食品工业上的应用在食品工业上的应用生产传统发酵产品酱油酱油大豆大豆(主要原料主要原料)黑曲霉黑曲霉(蛋白酶蛋白酶)小分子肽小分子肽和氨基酸和氨基酸淋洗、调制淋洗、调制酱油的生产谷物或水果谷物或水果酿酒酿酒酵母酵母各种各种酒类酒类各种酒类的生产发酵工程的应用在食品工业上的应用在食品工业上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。发酵工程的应用在食品工业上的应用在食品工业上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，大部分酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。糖分解和代谢物生成。在低温、密闭的环境下储存一段在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。时间，形成澄清、成熟的啤酒。发酵工程的应用在食品工业上的应用在食品工业上的应用啤酒的工业化生产流程思考:与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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。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。发酵工程的应用在食品工业上的应用在食品工业上的应用生产各种各样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-胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂黄原胶、-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在食品工业上的应用生产酶制剂食品的直接生产改进生产工艺简化生产过程提高产品产量延长食品储存期改善产品的品质和口味酶制剂的作用果胶酶脂肪酶-淀粉酶-淀粉酶氨基肽酶 酶制剂发酵工程的应用在医药工业上的应用在医药工业上的应用各种抗生素各种抗生素/多种氨基酸多种氨基酸/多种激素多种激素/多种免疫调节剂多种免疫调节剂发酵工程生产的药物动植物动植物的基因的基因微生物微生物直接改造微生物直接改造微生物转入转入微生物微生物病原体的病原体的抗原基因抗原基因转入转入发酵工程药物药物药物药物疫苗疫苗基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合发酵工程的应用在农牧业上的应用在农牧业上的应用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。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：常见微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥根瘤菌肥、固氮菌肥生产微生物农药微生物农药利用微生物或其代谢物来防治病虫害。利用微生物或其代谢物来防治病虫害。苏云金杆菌苏云金杆菌(Bt(Bt毒蛋白毒蛋白)防治防治8080多种农林害虫多种农林害虫白僵菌白僵菌(真菌真菌)防治玉米螟、松毛虫防治玉米螟、松毛虫放线菌放线菌 (井冈霉素井冈霉素)防治水稻枯纹病防治水稻枯纹病发酵工程的应用在农牧业上的应用在农牧业上的应用生产微生物饲料微生物饲料以微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为以微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白微生物菌体蛋白、生物活性小生物活性小肽类氨基酸肽类氨基酸、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵饲料。、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵饲料。单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体微生物菌体。单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。疫力。发酵工程的应用在其他方面的应用在其他方面的应用在其他方面的应用利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。解决解决资源短缺与环境污染问题资源短缺与环境污染问题。正渗透到几乎所有的工农业领域正渗透到几乎所有的工农业领域：助力解决粮食：助力解决粮食/环境环境/健康健康/能源等方面能源等方面极端微生物的利用极端微生物的利用：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂。：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂。嗜低温菌有助于提高嗜低温菌有助于提高热敏性产品热敏性产品的产量的产量提示提示:在农业生产中在农业生产中,可以利用农作物废弃物生产食用菌可以利用农作物废弃物生产食用菌,利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料;在植物保护方面在植物保护方面,应用微生物产生的抗生素来生产生物农药应用微生物产生的抗生素来生产生物农药,治理病虫害等。治理病虫害等。1.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。提示提示:利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾,利用发酵工程使烟气脱硫利用发酵工程使烟气脱硫,还可以利用微生物工程除臭等。还可以利用微生物工程除臭等。2.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。发酵工程的应用在其他方面的应用在其他方面的应用归纳归纳