【課件】1.3發(fā)酵工程及其應(yīng)用課件-人教版（2019）高中生物選擇性必修3

1、第3節(jié) 發(fā)酵工程及其應(yīng)用青霉素是世界上第一個(gè)應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學(xué)家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價(jià)格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，1瓶規(guī)格160萬(wàn)單位的青霉素注射劑的價(jià)格只要1元左右。那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢?一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.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)品的分離、提純等方面。選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)滅菌接種配制培養(yǎng)基發(fā)酵罐發(fā)酵分離、提純獲得產(chǎn)品菌種來(lái)源：自然界中篩選；誘變育種；基因工程育種快速增加菌種數(shù)量選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基獲得產(chǎn)品接種發(fā)酵罐發(fā)酵分離、提純?cè)诰N確

2、定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定。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(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌。1.監(jiān)測(cè)和控制溫度、pH和溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等。反饋控制，使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。2.隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分。1.如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用過(guò)濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥得到產(chǎn)品。2.如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施來(lái)獲得產(chǎn)品。滅菌電動(dòng)機(jī)排氣管pH計(jì)冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪

3、拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管培養(yǎng)物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進(jìn)入口閥門2.發(fā)酵罐1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的茵種時(shí)需要考慮哪些因素?微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)需要考慮的因素：能在低成本的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，且大量高效地合成產(chǎn)物；發(fā)酵條件如溫度、pH、溶解氧等易控制；遺傳性能穩(wěn)定；抗噬菌體及雜菌污染能力強(qiáng)等。要對(duì)溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其最適合微生物的生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)及時(shí)添加必要的營(yíng)養(yǎng)組分。2.怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要?3. 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)

4、獲得的產(chǎn)物一般不是單一的組分，而是成分復(fù)雜的混合物，很多時(shí)候不會(huì)再對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純處理，或者僅采用簡(jiǎn)單的沉淀、過(guò)濾等方法來(lái)分離和提純產(chǎn)物。在發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。在產(chǎn)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(jìn)一步純化階段，會(huì)采用液相層析法、結(jié)晶法等方法。發(fā)酵工程產(chǎn)物無(wú)論是代謝物還是菌體本身，都需要進(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。因?yàn)樵谶M(jìn)行發(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)。為了減少或避免污染物的產(chǎn)生和排放，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對(duì)排出的

5、氣體和廢棄培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或滅菌處理。1.在發(fā)酵工程中,可通過(guò)誘變育種、基因工程育種獲得菌種。()2.在連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中補(bǔ)充的同種培養(yǎng)液和空氣須先滅菌。()3.發(fā)酵罐中微生物的生長(zhǎng)繁殖、代謝物的形成速度都與攪拌速度無(wú)關(guān)。( )4.單細(xì)胞蛋白是從微生物細(xì)胞中提取出來(lái)的。( )5.發(fā)酵工程中環(huán)境條件的變化會(huì)影響微生物的代謝途徑。()二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品以大豆為主要原料，利用產(chǎn)生蛋白酶的霉菌生產(chǎn)醬油。以谷物或水果等為原料，利用釀酒酵母發(fā)酵生產(chǎn)各種酒類。啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程發(fā)芽焙烤碾磨糖化大麥種子發(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

6、碾磨成麥芽粉。淀粉分解，形成糖漿。蒸煮發(fā)酵消毒終止產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的進(jìn)一步作用，并對(duì)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(zhǎng)它的保存期。過(guò)濾、調(diào)節(jié)、分裝啤酒進(jìn)行出售。過(guò)濾冷卻啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在啤酒的工廠化生產(chǎn)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(duì)原材料的處理、發(fā)酵過(guò)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”啤酒與普通啤酒的對(duì)比?，F(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。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(duì)獨(dú)特

7、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(wèn)題。項(xiàng)目“精釀”啤酒工業(yè)“啤酒”原料只使用麥芽、啤酒花、酵母菌和水麥芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等是否添加食品添加劑不添加添加麥芽汁濃度較高，口味濃郁較低，口味清淡發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)2個(gè)月短，通常7天左右特點(diǎn)產(chǎn)量低、價(jià)格高產(chǎn)量高、價(jià)格低(2)生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑食品添加劑可以增加食品的營(yíng)養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，有時(shí)還可以延長(zhǎng)食品的保存期。檸檬酸可以通過(guò)黑曲霉的發(fā)酵制得。由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸，谷氨酸經(jīng)過(guò)一系列處理就能制成味精。(3)生產(chǎn)酶制劑常用酶制劑

8、有-淀粉酶、-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。目前，已有50多種酶制劑成功用于食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等方面。2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用(1)發(fā)酵工程可以生產(chǎn)抗生素、氨基酸、激素和免疫調(diào)節(jié)劑等。(2)基因工程、蛋白質(zhì)工程等的廣泛應(yīng)用給發(fā)酵工程制藥領(lǐng)域的發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。(3)應(yīng)用實(shí)例生長(zhǎng)激素釋放抑制激素最初從羊腦中提取，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，利用經(jīng)過(guò)基因改造的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，產(chǎn)量大幅提升，價(jià)格降為原來(lái)的幾百分之一。將乙型肝炎病毒的抗原基因轉(zhuǎn)入酵母菌，再通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)乙型肝炎疫苗。未來(lái)甚至還可能利用微生物來(lái)生產(chǎn)過(guò)去只能從植物中

9、分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物。3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)微生物肥料利用微生物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來(lái)增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長(zhǎng)。有的微生物肥料還可以抑制土壤中病原微生物的生長(zhǎng)，從而減少病害的發(fā)生。常見(jiàn)的有根瘤菌肥和固氮菌肥等。作用：類型：(2)生產(chǎn)微生物農(nóng)藥原理：微生物農(nóng)藥利用微生物或其代謝物來(lái)防治病蟲(chóng)害。實(shí)例：蘇云金桿菌可用來(lái)防治80多種農(nóng)林蟲(chóng)害，利用白僵菌可以防治玉米螟、松毛蟲(chóng)等蟲(chóng)害；一種放線菌產(chǎn)生的抗生素井岡霉素可以用于防治水稻枯紋病。(3)生產(chǎn)微生物飼料單細(xì)胞蛋白：以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過(guò)發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體

10、。在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質(zhì)，使飼料保鮮，動(dòng)物食用后還能提高免疫力。 單細(xì)胞蛋白不僅含有豐富的蛋白質(zhì)，還含有糖類、脂質(zhì)和維生素等物質(zhì)，以后我老牛是不是吃點(diǎn)微生物菌體就可以健康地活下去呢? 4.在其他方面的應(yīng)用(1)利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)。(2)極端微生物的利用，如嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來(lái)生產(chǎn)洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量。6.生產(chǎn)檸檬酸需要篩選產(chǎn)酸量高的乳酸菌()7.谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)在酸性條件下容易形成谷氨酰胺和N乙酰谷氨酰胺()8.發(fā)酵工程生產(chǎn)條件溫和、原料來(lái)源豐富，但廢棄物對(duì)環(huán)境污染很大，不易處理()9.單細(xì)胞蛋白指通過(guò)發(fā)酵而獲得的微生物菌體()1.發(fā)酵工程的正確操作過(guò)程是()發(fā)酵培養(yǎng)基的配制滅菌產(chǎn)品的分離與提純菌種的選育接種擴(kuò)大培養(yǎng)A BC D2.發(fā)酵工程廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是()A黑曲霉可作為釀制醬油、生產(chǎn)檸檬酸的菌種B啤酒釀制終止后，可得到啤酒、單細(xì)胞蛋白等產(chǎn)品C用纖維廢料發(fā)酵得到酒精，可減少環(huán)境污染、減緩能源短缺問(wèn)題D用液體培養(yǎng)基可大規(guī)模生產(chǎn)新冠病毒減毒疫苗3.關(guān)于發(fā)酵工程的菌種說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.發(fā)酵工程的菌種可以從自然界中篩選出來(lái)B.發(fā)酵工程可以利用原材料中含有的菌種C.發(fā)酵工程的菌種可以來(lái)自基因工程育種D.