1.3發(fā)酵工程及其應(yīng)用課件高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用說出說出發(fā)酵工程的概念。闡明發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。簡述發(fā)酵工程的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用。

青霉素是世界上第一個(gè)應(yīng)用于臨床的抗生素，早期只能從青霉菌中提取少量青霉素，價(jià)格貴如金。

隨著發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展，如今一瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑價(jià)格只要一元左右，那么工業(yè)上究竟是如何生產(chǎn)的呢？發(fā)酵工程

什么是發(fā)酵工程？發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)有哪些？發(fā)酵工程能生產(chǎn)哪些產(chǎn)品呢？從生活中來微生物純培養(yǎng)技術(shù)的建立密閉式發(fā)酵罐的成功設(shè)計(jì)人們對發(fā)酵原理的認(rèn)識發(fā)酵工程形成一、發(fā)酵工程的形成發(fā)酵工程

指利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代工程技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品。它涉及菌種的選育和培養(yǎng)，產(chǎn)物的分離和提純等方面。大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品微生物的特定功能現(xiàn)代化工程技術(shù)發(fā)酵工程一般包括菌種的選育，擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制、滅菌，接種，發(fā)酵，產(chǎn)品分離、提純等方面。二、發(fā)酵工程的概念

閱讀課本22頁第2段和圖1-9，明確發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)，并對每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)分析。選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)接種滅菌配制培養(yǎng)基發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品三、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)（1）目的:獲得性狀優(yōu)良的菌種。（2）菌種來源：自然界中篩選、誘變育種或基因工程育種。（3）菌種選育的重要性（意義）：優(yōu)良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，它往往還會賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨(dú)特的風(fēng)味，因此菌種選育環(huán)節(jié)在很大程度上決定了生物發(fā)酵產(chǎn)物的成敗。（4）實(shí)例：篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉用來生產(chǎn)檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵、縮短生產(chǎn)周期。1.選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)工業(yè)發(fā)酵罐體積幾十~幾百m3幾~幾十m3接入的菌種總體積思考:怎樣對菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)？將培養(yǎng)到增長速率最快時(shí)期的菌體分開，再進(jìn)行培養(yǎng)。（1）目的:

獲得更多的菌種（2）原因：

工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般較大，因此，需要接入的菌種總體積大（數(shù)目多）。（3）擴(kuò)大培養(yǎng)的培養(yǎng)基：

一般為液體培養(yǎng)基。2.擴(kuò)大培養(yǎng)（1）配制要求①在菌種確定之后，（結(jié)合菌種代謝特點(diǎn)）選擇原料制備培養(yǎng)基；②在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定（即不斷優(yōu)化培養(yǎng)基）；（2）滅菌原因發(fā)酵工程種所用的菌種大多是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大降低。（3）滅菌目的：

避免因雜菌污染而影響產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量*培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌；3.培養(yǎng)基的配制、滅菌電動機(jī)D1排氣管C3pH計(jì)B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪D2生物傳感器裝置B4空氣入口A4放料管A2A3閥門A1培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質(zhì)的加入口B1觀察孔B2取樣管B5溫度傳感器和控制裝置C1冷卻水進(jìn)入口裝置編號主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2控制培養(yǎng)物以一定速度進(jìn)入、流出發(fā)酵罐，實(shí)現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)控制溶解氧通過肉眼觀察、儀器檢測等監(jiān)控發(fā)酵條件以及發(fā)酵過程，B2處抽取樣品進(jìn)一步檢測通過控制冷水流速調(diào)節(jié)罐溫調(diào)節(jié)罐壓電機(jī)帶動葉輪轉(zhuǎn)動進(jìn)行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱將擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種投放到發(fā)酵罐中。4.接種：電動機(jī)D1排氣管C3pH計(jì)B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪D2生物傳感器裝置B4空氣入口A4放料管A2A3閥門A1培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質(zhì)的加入口B1觀察孔B2取樣管B5溫度傳感器和控制裝置C1冷卻水進(jìn)入口現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)：均有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測和控制，還可以進(jìn)行反饋控制，使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)。4.接種：1）發(fā)酵過程的監(jiān)測與調(diào)控：-要在發(fā)酵過程中隨時(shí)取樣，檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程；-及時(shí)添加必需的營養(yǎng)物質(zhì)組分來延長菌體生長穩(wěn)定期的時(shí)間，以得到更多的發(fā)酵產(chǎn)物；-嚴(yán)格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉(zhuǎn)速等發(fā)酵條件，已獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)物?！l(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)！?。囟龋涸颍何⑸锓纸庥袡C(jī)物釋放的能量，機(jī)械攪拌也會引起溫度升高。方法：常用冷卻水進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)pH:原因：培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的利用和代謝產(chǎn)物的積累。

方法：是在培養(yǎng)基中添加緩沖液，在發(fā)酵過程中加酸或堿。思考：發(fā)酵過程中溫度和pH會改變嗎？如何調(diào)節(jié)發(fā)酵液的溫度和pH?5.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵2）為什么要嚴(yán)格控制發(fā)酵條件？①環(huán)境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；實(shí)例——谷氨酸發(fā)酵P23②嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)?！l(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)?。?！5.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵發(fā)酵產(chǎn)物類型獲得產(chǎn)品的方法微生物細(xì)胞代謝物過濾、沉淀等方法適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施6.產(chǎn)品的分離、提純7.獲得產(chǎn)品選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)配置培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品①從自然界中篩選的常規(guī)菌種①配置原則：目的明確、營養(yǎng)協(xié)調(diào)、pH適宜①目的：防止雜菌污染①檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等地位：中心環(huán)節(jié)②通過誘變育種或基因工程育種獲得②營養(yǎng)構(gòu)成：水、無機(jī)鹽、碳源、氮源等②對象：培養(yǎng)基和發(fā)酵罐②及時(shí)添加必需的營養(yǎng)物質(zhì)組分來延長菌體生長穩(wěn)定期的時(shí)間，以得到更多的發(fā)酵產(chǎn)物②代謝物：適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施③嚴(yán)格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉(zhuǎn)速等發(fā)酵條件③注意：培養(yǎng)基使用前要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能用于大規(guī)模生產(chǎn)條件：環(huán)境條件穩(wěn)定、溫和，利于菌種生長繁殖目的：增加菌種數(shù)量所用培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基或固體培基①菌體本身：過濾、沉淀監(jiān)控途徑小結(jié)思考?討論發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)需要考慮哪些因素？產(chǎn)物方面目的產(chǎn)物多，副產(chǎn)物少設(shè)備方面發(fā)酵條件容易控制菌體方面菌體生長繁殖力強(qiáng)，耐受力強(qiáng)，抗污染、菌種不易變異、退化原料方面來源廣，低成本、轉(zhuǎn)化率高2.怎樣對發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長需要？01反復(fù)試驗(yàn)確定培養(yǎng)基的配方。對培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌。用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對發(fā)酵過程進(jìn)行監(jiān)測和控制?？刂瓢l(fā)酵過程的溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。及時(shí)添加必需營養(yǎng)成分。0203043.在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比有哪些改進(jìn)之處？傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)：產(chǎn)物一般是復(fù)雜的混合物，一般不會再對產(chǎn)物進(jìn)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(chǎn)物。發(fā)酵工程：使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換，液相層析法、結(jié)晶法等方法。最后需要進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后才能成為正式產(chǎn)品。4.在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，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。發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。要進(jìn)行二次清潔或滅菌處理后才能排放。在食品工業(yè)上的應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用在其他方面的應(yīng)用發(fā)酵工程的應(yīng)用產(chǎn)物專一；原料來源豐富且價(jià)格低廉；生產(chǎn)條件溫和；廢棄物對環(huán)境的污染小和容易處理。四、發(fā)酵工程的應(yīng)用發(fā)酵工程的特點(diǎn)1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用食品工業(yè)是微生物最早開發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。一直以來，與發(fā)酵有關(guān)的食品工業(yè)的產(chǎn)量和產(chǎn)值都居于發(fā)酵工業(yè)的首位。（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如醬油、各種酒類等實(shí)例1：生產(chǎn)醬油大豆黑曲霉蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸淋洗、調(diào)制醬油實(shí)例2：釀酒谷物或水果釀酒酵母酒類啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵主發(fā)酵冷卻大麥種子發(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。淀粉分解，形成糖漿。產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的進(jìn)一步作用，并對糖漿滅菌。酵母菌將糖轉(zhuǎn)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。消毒終止后發(fā)酵過濾過濾、調(diào)節(jié)、分裝啤酒進(jìn)行出售。完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時(shí)間進(jìn)行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)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(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。2.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進(jìn)行過濾和消毒處理等。有人認(rèn)為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個(gè)問題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時(shí)間長、產(chǎn)量低和價(jià)格高，卻依然有著市場需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？思考?討論啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程2.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進(jìn)行過濾和消毒處理等。有人認(rèn)為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個(gè)問題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時(shí)間長、產(chǎn)量低和價(jià)格高，卻依然有著市場需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？應(yīng)該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)，能夠滿足一些人對獨(dú)特口感的需求，或者滿足一些人的時(shí)尚追求。另一方面，這類產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價(jià)格昂貴的問題。1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用增加食物的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長食品的保存期。（2）生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑食品添加劑的作用：實(shí)例1：檸檬酸檸檬酸是一種食品酸度調(diào)節(jié)劑；可以通過黑曲霉的發(fā)酵制得。實(shí)例2：味精由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸；谷氨酸經(jīng)過一系列處理就能制成味精。添加了檸檬酸的飲料添加劑類型舉例酸度調(diào)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(jié)冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶(3)生產(chǎn)酶制劑種類作用食品直接生產(chǎn)改進(jìn)生產(chǎn)工藝簡化生產(chǎn)過程改善產(chǎn)品的品質(zhì)延長食品儲存期提高產(chǎn)品產(chǎn)量α-淀粉酶β-淀粉酶果膠酶脂肪酶氨基肽酶少數(shù)由動植物生產(chǎn)，絕大多數(shù)通過發(fā)酵工程生產(chǎn)。基因工程、蛋白質(zhì)工程與發(fā)酵工程相結(jié)合動植物的基因轉(zhuǎn)入微生物直接改造微生物病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入微生物發(fā)酵工程藥物藥物疫苗2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用人們可以采用基因工程等的方法直接對菌種進(jìn)行改造，再通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。改造菌種02人們可以采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物。工程菌01科學(xué)家還利用基因工程，將病原體的某個(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物就可以作為疫苗使用疫苗03利用經(jīng)過基因改造的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素未來可能用微生物來生產(chǎn)過去只能從植物中提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物將乙型肝炎病毒的抗原基因轉(zhuǎn)入酵母菌，再通過發(fā)酵生產(chǎn)疫苗03微生物飼料02微生物農(nóng)藥01微生物肥料根瘤菌肥

固氮菌肥等蘇云金桿菌等單細(xì)胞蛋白等

增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長，抑制土壤中病原微生物的生長

生物防治的重要手段，將在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用。

微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用微生物農(nóng)藥防治和化學(xué)農(nóng)藥防治的比較項(xiàng)目微生物農(nóng)藥防治化學(xué)農(nóng)藥防治防治機(jī)理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)利用微生物或代謝物進(jìn)行防治成本低、無污染，可以維持生態(tài)平衡防治速度慢利用化學(xué)藥劑（如殺蟲劑、殺鼠劑）等進(jìn)行防治見效快，操作簡單成本高，污染環(huán)境，不利于維持生態(tài)平衡解決資源短缺和環(huán)境污染問題對極端微生物的利用

利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)