【生物】发酵工程及其应用 2023-2024学年高二生物同步教学精优课件(人教版2019选择性必修3).pptx
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1、 第3节 发酵工程及其应用第1章 发酵工程选修三发酵工程的基本环节1发酵工程的应用2目录习题检测31.概述发酵工程及其基本环节。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。举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。一、学习目标二、重点发酵工程的基本环节、发酵工程的基本应用。发酵工程的基本环节、发酵工程的基本应用。发酵工程的基本环节。发酵工程的基本环节。三、难点发酵工程的基本环节1问题探讨 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青霉素,它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等,青霉素步入了
2、产业化生产的道路。等,青霉素步入了产业化生产的道路。如今,1瓶规格160万单位的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?通过发酵工程生产通过发酵工程生产问题探讨 工业上,青霉素的产生按照发酵工程的基本环节进行:首先进行青霉素生产菌高产菌菌种种的的选选育育;然后将高产菌种进行扩扩大大培培养养增加菌种数量,同时配配制制适合青霉素生产菌生长的培培养养基基进行灭菌;在无菌条件无菌条件下将大量优良高产菌种接种到培养液接种到培养液中,控制温度、pH、溶解氧等发酵条件进行发酵发酵;发酵结束后进行青霉素的分离、提纯分离、提纯,就可以得到大量青霉素。发酵工程的基本环节1一、发酵
3、工程的概念 是指利用 的特定功能,通过现代工程技术,生产对人类有用的产品。它涉及 、等方面。微生物微生物规模化规模化菌种的选育和培养菌种的选育和培养产物的分离和提纯产物的分离和提纯选育选育高产菌种高产菌种扩大扩大培养培养配制配制培养基培养基灭菌灭菌接种接种发酵罐发酵罐内发酵内发酵分离、分离、提纯产物提纯产物获得获得产品产品习题巩固 某镇特产一种美酒,以下是对该镇环境的描述:四面环山,地势低洼,气候炎热,具有独特的微生物种群,因为与外界的空气对流循环较缓慢,所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示?我国幅员辽阔,地理生态环境多样,为各种微生物的生长繁殖提供了条件,这有
4、利于发酵工程选育菌种选育菌种。优良的菌种不仅具有健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,因此菌种选育环节很大程度上決定了生产发酵产品的成败。发酵工程及其应用2二、发酵工程基本环节分析选育菌种生产柠檬酸生产柠檬酸生产啤酒生产啤酒生产味精生产味精黑曲霉黑曲霉啤酒酵母啤酒酵母谷氨酸谷氨酸棒状杆菌棒状杆菌性性状状优优良良的的菌菌种种可可以以从从自自然然界界中中筛筛选选出出来来,也可以通过也可以通过诱变育种诱变育种或或基因工程育种基因工程育种获得。获得。扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵
5、分离提纯产物获得产品二、发酵工程基本环节分析选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品扩大培养的原因:工业发酵罐的体积一般为及时立方米到几百立方米,接入的菌种总体积菌种总体积需要几立方米到几十立方米需要几立方米到几十立方米。怎样扩大培养?将培养到增长速率最快增长速率最快时期的菌体分开,再进行培养。二、发酵工程基本环节分析选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品1.类型:2.要求:根据菌种的代谢类型,选择不同的材料配制培养基。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。配置的培
6、养基要经过反复试验才能大规模应用。发酵工程一般使用发酵工程一般使用液体培养基液体培养基。二、发酵工程基本环节分析选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种单一菌种。灭菌的原因:杂菌与菌种之间形成种间竞争关系杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。实例:在青霉素生产过程中如果污染了杂菌,杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。二、发酵工程基本环节分析选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵罐内发酵发酵分离提纯产物获得产品发酵过程的监控:要在发酵过程中随时取样随时取
7、样,检测培养液中的微生物数量、产物浓度等,以了解发酵进程以了解发酵进程;及时添加必需的营养物质添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间,以得到更多的发酵产物以得到更多的发酵产物;严格控制严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件发酵条件,已获得所需的发酵产物。发酵工程的中心环节发酵罐示意图抽取样本抽取样本进行检测进行检测调节罐温调节罐温控制溶解氧控制溶解氧使微生物与发酵液使微生物与发酵液混合均匀,加快混合均匀,加快O2的溶解以及散热的溶解以及散热调节罐压调节罐压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
8、器和控制装置冷却水进入口阀门放料管二、发酵工程基本环节分析选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢?环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖微生物的生长繁殖,而且会影响微生物代谢物的形成微生物代谢物的形成。例如:谷氨酸的发酵生产:在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谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺乙酰谷氨酰胺。计算机控制系统温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等微生物数量、产物浓度及时添加必需的营养组分使发酵过程处于最佳状态监测监测控制控制检测检测微生物的生长繁殖和代谢物的形成影响影响发酵条件发酵
9、条件发酵罐示意图二、发酵工程基本环节分析选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品发酵产物类型获得产品的方法微生物细胞代谢物过滤、沉淀等方法过滤、沉淀等方法适当的提取、分离和纯化措施适当的提取、分离和纯化措施分离、提纯产物的方法措施:习题巩固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?在低成本的培养基上能迅速生长繁殖;产量高;发酵条件容易控制;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和溶解氧等发酵条件进行严格控制,使其适合微生物的生长繁殖,同时及时添加必需的营养组分。习题巩固3.在产物分离和提纯方面,发
10、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是成分复杂的混合物,一般不会再对产物进行分离和提纯处理一般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。在发酵工程中在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。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,进一步纯化阶段,会采用液相层析法、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。提取代谢物根据产物性质采取适当提取、分离和纯化措施(萃取、蒸馏、离子交换萃取、蒸馏、离子交换)发酵液预处理细胞分离细胞破碎初步纯化高度纯化成品加工细胞破碎分离胞外产物加热调
11、pH沉降离心过滤研磨离心萃取过滤沉淀吸附萃取层析电泳结晶离子交换干燥结晶习题巩固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。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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。发酵工程的特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习题巩固5.随着人们对发酵原理的认识,微生物纯培养技术的建立,以及密闭式发酵罐的设计成功,发酵工程逐步形成。下列有关描述,错误的是 ()A.性状优良的菌种可以从自然界中筛选,也可以通过诱变育种 或基因工程育种获得B
12、.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C.在发酵过程中,环境条件不仅会影响微生物的生长和繁殖,而且会影响微生物代谢物的形成D.发酵产品可以是微生物细胞本身,也可以是代谢物B习题巩固6.随着人们对发酵原理认识的不断深入,微生物纯培养技术的 建立,以及密闭式发酵罐的成功设计,人们能够在严格控制 的环境条件下大规模生产发酵产品。下列有关发酵工程过程的.叙述,错误的是()A.发酵工程的过程一般包括菌种的选育,扩大培养,培养基的配制,灭菌,接种,发酵,产品的分离、提纯等B.选育菌种都是通过基因工程育种、诱变育种等方法获得的C.扩大培养的目的是使优良菌种大量繁殖,便于得到足够
13、多的菌种D.产品的分离与提纯要根据产物的类型采用不同的分离方法B发酵工程的应用2发酵工程的应用2一、在食品工业上的应用1.生产传统的发酵产品大豆蛋白质小分子肽和氨基酸酱油酱油谷物、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各种酒类一、在食品工业上的应用2.生产各种各样的食品添加剂 增加食品的营养,改善食品的口味、色泽和品质,有时还可以延长食品的保存期。淀粉黑曲霉葡萄糖柠檬酸柠檬酸谷氨酸棒状杆菌谷氨酸味精味精柠檬酸合成酶发酵氧气处理淀粉酶一、在食品工业上的应用2.生产各种各样的食品添加剂常用的几类食品添加剂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、柠檬酸、乳酸
14、苹果酸、柠檬酸、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、溶菌酶一、在食品工业上的应用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(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:-淀粉酶、-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。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
15、大麦种子发芽,释放淀粉酶。加热杀死种子胚加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活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 装罐储存罐啤酒的工业化生产流程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、密闭的环境下储存低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。习题巩固1.啤酒的发酵
16、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:主发酵主发酵后发酵后发酵酵母菌的繁殖、大部分糖分解和代谢物的生成酵母菌的繁殖、大部分糖分解和代谢物的生成低温、密闭的环境下储存一段时间低温、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加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分(啤酒花),终止酶的进一步作用,并产生风味组分(啤酒花),终止酶的进一步作用,并对糖浆灭菌。对糖浆灭菌。习题巩固6.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
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