【生物】發(fā)酵工程及其應用 2023-2024學年高二下學期 人教版2019選擇性必修3

第1章發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及其應用學習目標01發(fā)酵工程的概念及基本環(huán)節(jié)①概念②基本環(huán)節(jié)02發(fā)酵工程的應用①在食品工業(yè)上的應用:生產傳統(tǒng)的發(fā)酵產品/食品添加劑/酶制劑*啤酒的工業(yè)化生產流程②在醫(yī)藥工業(yè)上的應用③在農牧業(yè)上的應用:生產微生物肥料/農藥/飼料④在其他方面的應用青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量，價格貴如金。

隨著高產菌種的選育、發(fā)酵技術的發(fā)展等，青霉素步入了產業(yè)化生產的道路。如今，一瓶規(guī)格160萬單位青霉素注射劑的價格只要1元左右。思考:

在工業(yè)上，青霉素是怎樣生產的？從社會中來傳統(tǒng)發(fā)酵技術發(fā)酵工程利用天然存在的菌種，菌種差異、雜菌情況不明，發(fā)酵過程的控制缺乏標準，發(fā)酵食品的品質不一?？s短發(fā)酵時間，確保品質穩(wěn)定微生物培養(yǎng)，篩選單一菌種，再接種到物料中發(fā)酵利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代工程技術，規(guī)模化生產對人類有用的產品。發(fā)酵工程發(fā)酵工程的概念發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1、隨著人們對

的認識，

技術的建立，以及

的

設計成功，人們能夠在嚴格控制的環(huán)境條件下，大規(guī)模生產發(fā)酵產品，發(fā)酵工程

逐步形成。發(fā)酵原理微生物純培養(yǎng)密閉式發(fā)酵罐2、發(fā)酵工程的環(huán)節(jié)：選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內發(fā)酵(中心環(huán)節(jié))分離提純產物獲得產品發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)選育菌種來源:①從自然界篩選②通過誘變育種或基因工程育種獲得擴大培養(yǎng)實例:a.生產檸檬酸就需要篩選產酸量高的黑曲霉。b.在啤酒生產中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速發(fā)酵過程，縮短生產周期。要求：性狀優(yōu)良的菌種需要考慮的因素包括：a.在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖；b.生產所需代謝物的產量高；c.發(fā)酵條件容易控制；d.菌種不易變異、退化等。工業(yè)發(fā)酵罐接種量大，發(fā)酵之前需對菌種進行擴大培養(yǎng)目的:增加菌種的數(shù)量,縮短生產周期方法:將培養(yǎng)到生長速度最快時期的菌體分開再進行培養(yǎng).發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)配制培養(yǎng)基確定菌種后，選擇原料制備培養(yǎng)基，培養(yǎng)基配方常需要反復實驗才能確定。要求:①根據(jù)不同的菌種，選擇不同的材料配制培養(yǎng)基。②培養(yǎng)基應滿足微生物在碳源、氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的營養(yǎng)要求，并為微生物提供適宜的pH，以利于產物的合成。③應盡量降低生產成本，以得到更高的經濟效益。類型:一般用液體培養(yǎng)基滅菌原因:發(fā)酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導致產量下降。要求:培養(yǎng)基和發(fā)酵設備都必須滅菌實例:在青霉素生產過程中如果污染了雜菌，某些雜菌會分泌青霉素酶將青霉素分解掉。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)接種發(fā)酵罐內發(fā)酵(中心環(huán)節(jié))方法:平板劃線法和稀釋涂布平板法這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。①了解發(fā)酵進程：隨時檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產物濃度等。②及時添加必需的營養(yǎng)組分。③嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。通氣量、攪拌速度、罐壓原因：環(huán)境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成。同種微生物生長繁殖所需的最適溫度和積累代謝物所需的最適溫度往往不同。同一微生物由于培養(yǎng)環(huán)境pH不同，可能會積累不同的代謝物。實例:谷氨酸的發(fā)酵生產中，谷氨酸棒狀桿菌在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺?，F(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐均有計算機控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程進行檢測和控制；還可以進行反饋控制，使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)分離提純產物①產品是微生物細胞：采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥即可②產品是代謝物：根據(jù)產物的性質采取適當?shù)奶崛?、分離和純化措施獲得產品思考討論:1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？2.怎樣對發(fā)酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？要對溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進行嚴格控制，使其最適合微生物的生長繁殖,同時及時添加必要的營養(yǎng)組分。在發(fā)酵工程：使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。發(fā)酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)3.在產物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比有哪些改進之處？傳統(tǒng)發(fā)酵技術：獲得的產物一般不是單一的組分，而是成分復雜的混合物，很多時候不會再對產物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離和提純產物。在發(fā)酵工程：使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。發(fā)酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。4.在進行發(fā)酵生產時，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎？為什么？不能。因為在進行發(fā)酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質。為了減少或避免污染物的產生和排放，實現(xiàn)清潔生產，應該對排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進行二次清潔或滅菌處理。發(fā)酵工程的優(yōu)點產物專一生產條件溫和原料來源豐富且價格低廉廢棄物對環(huán)境污染小且容易處理發(fā)酵工程的特點發(fā)酵工程的應用①在食品工業(yè)上的應用①生產傳統(tǒng)發(fā)酵產品醬油大豆(主要原料)黑曲霉(蛋白酶)小分子肽和氨基酸淋洗、調制醬油的生產谷物或水果釀酒酵母各種酒類各種酒類的生產發(fā)酵工程的應用①在食品工業(yè)上的應用啤酒的工業(yè)化生產流程發(fā)芽12焙烤3碾磨4糖化大麥水糖化罐大麥種子發(fā)芽，釋放淀粉酶。加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活。將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉。淀粉水解形成糖漿。發(fā)酵工程的應用①在食品工業(yè)上的應用啤酒的工業(yè)化生產流程蒸煮56發(fā)酵7消毒8終止產生風味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌。酵母菌將糖轉化為酒精和CO2殺死啤酒中的大多數(shù)微生物，延長它的保存期。過濾、調節(jié)、分裝啤酒進行出售。糖漿啤酒花冷卻過濾裝瓶裝罐儲存罐發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止加啤酒花冷卻接種過濾主發(fā)酵后發(fā)酵酵母菌繁殖，大部分糖分解和代謝物生成。在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間，形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵工程的應用①在食品工業(yè)上的應用啤酒的工業(yè)化生產流程思考:與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，啤酒發(fā)酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？菌種的選育、對原材料的處理、發(fā)酵過程的控制、產品的消毒等，都有助于提高啤酒的產量和品質。發(fā)酵工程的應用①在食品工業(yè)上的應用②生產各種各樣的食品添加劑添加劑類型舉例酸度調節(jié)劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5`-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環(huán)狀糊精、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌、溶菌酶添加了檸檬酸的飲料增加食品的營養(yǎng)延長食品的保存期改善食品的口味、色澤和品質食品添加劑的作用發(fā)酵工程的應用①在食品工業(yè)上的應用③生產酶制劑食品的直接生產改進生產工藝簡化生產過程提高產品產量延長食品儲存期改善產品的品質和口味②酶制劑的作用果膠酶脂肪酶α-淀粉酶β-淀粉酶氨基肽酶…

…①酶制劑發(fā)酵工程的應用②在醫(yī)藥工業(yè)上的應用各種抗生素/多種氨基酸/多種激素/多種免疫調節(jié)劑①發(fā)酵工程生產的藥物動植物的基因微生物直接改造微生物轉入微生物病原體的抗原基因轉入發(fā)酵工程藥物藥物疫苗②基因工程、蛋白質工程與發(fā)酵工程相結合發(fā)酵工程的應用③在農牧業(yè)上的應用①生產微生物肥料微生物肥料利用微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力、改良土壤結構、促進植株生長、增強植物抗病性和抗逆性。常見微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥②生產微生物農藥微生物農藥利用微生物或其代謝物來防治病蟲害。蘇云金桿菌(Bt毒蛋白)防治80多種農林害蟲白僵菌(真菌)防治玉米螟、松毛蟲放線菌(井岡霉素)防治水稻枯紋病發(fā)酵工程的應用③在農牧業(yè)上的應用③生產微生物飼料微生物飼料以微生物為發(fā)酵菌種，將飼料原料轉化為微生物菌體蛋白、生物活性小肽類氨基酸、微生物活性益生菌、復合酶制劑為一體的生物發(fā)酵飼料。單細胞蛋白：以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)廢料等為原料，通過發(fā)酵獲得的大量微生物菌體。單細胞蛋白不僅含有豐富的蛋白質，還含有糖類、脂質和維生素等物質。青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料品質，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。發(fā)酵工程的應用④在其他方面的應用④在其他方面的應用利用纖維廢料發(fā)酵生產酒精、乙烯等能源物質已取得成功。解決資源短缺與環(huán)境污染問題。正滲透到幾乎所有的工農業(yè)領域：助力解決糧食/環(huán)境/健康/能源等方面極端微生物的利用：嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑。嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量