发酵工程及其应用课件-高二生物人教版选择性必修3

劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
②举例：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂； 嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能 源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止2015年，我国生物发酵 生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。
调 节
冷却水进入口
罐
温
阀门
电动机
排气管
pH计
调节罐压
冷却水排出口 不断搅拌的目的：
冷却夹层 发酵液
①使菌种与发酵液混合
搅拌叶轮
均匀，提高原料利用率；
生物传感器装置 ②加快O2的溶解以及散
热。
空气入口
放料管
控制溶解氧含量
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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？ ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖； ②生产所需代谢物的产量高； ③发酵条件易控制； ④菌种不易变异，退化等。
2
食品工业是微生物最早开发和应用的领域 （1）生产传统的发酵食品
酱油的产生
黑曲霉 (蛋白酶)
小分子肽 淋洗、调制 和氨基酸
酱油
大豆(主要原料) 各种酒类的生产
谷物或水果 酿酒酵母 各种 酒类
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（2）生产各种各样的食品添加剂：许多食品添加剂都能通过发酵工程生产
食品添加剂的作用 ➢增加食品的营养; ➢改善食品的口味、色泽和品质; ➢延长食品的保存。
食品工业
生产传统发酵食品 生产食品添加剂
生产酶制剂
采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微
发 酵 工 程 应 用
医药工业 农牧业
生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物
直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要 的产品 生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
其他方面
解决资源短缺与环境污染问题 将极端微生物应用于生产实践
2.由于发酵工程具有生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一等特点
，在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列有关发酵 工程在食品工业上应用的描述，错误的是( ) A.酱油是以大豆为主要原料，利用霉菌制作而成的 B.啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段，其中，酵母菌的繁殖在主发酵 阶段完成，大部分糖的分解和代谢物的生成在后发酵阶段完成
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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？
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。传统发酵技术获得的产物一般不 在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜 是单一的组分，而是成分复杂的 分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化 混合物，很多时候不会再对产物 阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发 进行分离和提纯处理，或者仅采 酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需 用简单的沉淀、过滤等方法来分 要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 离提纯产物。
答案：A 解析：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生 产满足人类需求的特定产品等的工程技术。发酵工程的基本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、 菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等，A正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，B错 误；在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程，同时要严格控制发酵 条件，如温度、pH、溶解氧，故发酵过程中可能需要适时添加营养物质等，C错误；现在，发酵工程已经发 展到可以利用计算机进行自动调节控制的阶段，D错误。
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类别
“精酿”啤酒
原料
只使用麦芽、啤酒花、 酵母菌和水
是否添加食品添加剂 麦芽汁浓度 发酵时间 特点
不添加 较高，口味浓郁
长，可达2个月 产量低、价格高
“工业”啤酒
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、 大米、玉米、淀粉等
添加 较低，口味清淡
短，通常7天左右 产量高、价格低
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人 对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊 式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
接种
灭菌
制备培养基
发酵罐内 发酵
分离、提 纯产物
获得产品
电动机
培发养物酵或现工营代养程发中酵所工用的程在菌使菌种用种大的确排多p大H气定计管型之 物观数质察的是孔加发单入酵口一罐菌均种有，一计后旦算，有机要杂控选菌制择系原 取污样染管统，，可能能对导发致产酵料量过制大程备大中培冷下的却养水温排基出。口 温 和降备度 控传 制都。感 装度通必因器 置 、气须此p量经，H、、过培严搅溶养格基拌解在培的和、氧生养灭发、泡产基菌酵沫罐实搅的冷。发设拌和压却践酵配叶夹液营、轮层中方，
添加了柠檬酸的饮料
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（3）生产酶制剂 少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产。
酶制剂
➢α-淀粉酶 ➢β-淀粉酶 ➢果胶酶 ➢氨基酸肽酶 ➢脂肪酶 ➢ ……
酶制剂的作用
➢ 食品直接生产 ➢ 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
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我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成 的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。 酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束 后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这 样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的 不同而有所差异。
苏云金杆菌
防治80多种农林虫害。
白僵菌 井冈霉素
防治玉米螟、松毛虫等虫害。 防治水稻枯纹病。
③防治类型： 生物防治
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3.生产微生物饲料 ①原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
单细胞蛋白
生产过程： 以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获
得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白；
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、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， 同时及时添加必要的营养组分。
①反复试验确定培养基的配方；②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；③随时检测培养液中 微生物的数量、产物浓度等；④及时添加必需的营养组分；⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发 酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制
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通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素，青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在 医药领域的应用和发展。
（1）发酵工程可以生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。 （2）基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物 的基因
转入 微生物
发
酵
直接改造微生物
工
病原体的 抗原基因
转入
微生物
程
药物 例：生产生长激素释放抑制激素。 药物 例：生产紫杉醇、青蒿素前体等化合物 疫苗 例：生产乙肝疫苗的方法。
选育菌种 扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐 内发酵
分离、 提纯产物
获得 产品
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利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，生产对人类有用的物质 的技术体系。
微生物的特定功能
现代化工程技术
对发酵原 理的认识
微生物纯 培养技术
建立
密闭式发酵 罐设计成功
严格控制环境条件(温度、pH、 溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
1.下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是( )A.发酵工程的基 本环节有发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培 养、发酵生产和产物的分离与提纯等B.接种是发酵工程的中心环节， 接种必须在无菌条件下进行C.发酵过程中，不能再向发酵罐中添加营 养物质，以免造成污染D.整个发酵过程中通过人工方法对发酵过程中 温度、pH、溶解氧等进行检测和控制，从而使发酵过程处于最佳状态
1.3发酵工程及其应用
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目录
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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？
表1-2 常用的几种食品添加剂
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
β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂
乳酸链球菌素、溶菌酶
实例： 柠檬酸是一种食品酸度调节剂，可以通过黑 曲霉的发酵制得； 由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷 氨酸经过一系列处理就能制成味精；
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。 2. 现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺一般不添加食品添 加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用 “工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能 够满足一些人对独特口感的需求。另一方面，这类产品是手工作坊式 生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
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1.生产微生物肥料 ①微生物肥料的种类： 根瘤菌肥、固氮菌肥。 ②微生物肥料的作用：
生物肥料利用了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，改良土壤结构，促进植 株生长；
有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从 而减少病害的发生.
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2.生产微生物农药 ①微生物农药的作用机理： 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 ②实例：
冷却水养 等 进 行 监 测要和经控过制反生；物复传还感试器装置 在进入青口可霉以素进生行产反过馈验程控才中能制如确，果定有使。发 杂阀门菌酵污全染过，程某处些于杂最菌佳会状分态泌。空气入口 青霉素酶，将青霉素分解掉。
放料管
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抽取样本 进行检测
培养物或营养物 质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器 及控制装置
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。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 培养液进行二次清洁或灭菌处理。
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发酵工程的优点
生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 产物专一 废弃物对环境的污染小和容易处理
大规模生产 发酵产品
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选育菌种
扩大培养
这是发酵工程的中 性心状环优工节良。业的在发菌发种酵酵可罐过以的从程体自中积然，一界要般 中随筛时选为检出测几来培十，养也到液可几中以百通微立过生方诱物米变的， 育数种量或接、基产入因物的工的程菌浓育种种度总获等体得，积。以需了要
解发如几酵果进立发程方酵。米产还到品要几是及十微时立生添物方加细米 。 生必产需胞柠所的本檬营以身酸养，，组在可分发在，黑酵发要曲酵之霉严结前格束还控之需 制温后要度，对、采菌p用H种和过进溶滤行解、扩氧沉大等淀培发等养酵方 条生件法产。将啤酒菌体分离啤和酒干酵燥母，即 生微产生可代青物得谢霉的到物环素生产，境长品可条繁件根。殖黄不据如，青仅产果而霉会物产且影的品响会性是 影生响质和产微纯采味生化精取物措适代施当谢来的物棒获提谷的状得取氨形杆产、酸成菌品分。。离
主发酵 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成
发芽
焙烤
碾磨
糖化 蒸煮 发酵
消毒
终止
加啤 酒花
冷却 过滤 接种
后发酵
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在低温、密闭的环境下储存一段时间
2
糖化罐
1 发芽
2 焙烤
大麦种子发芽， 加热 杀死种子胚， 释放 淀粉酶。 但 不使淀粉酶失活。
3 碾磨
将干燥的麦芽 碾磨成麦芽粉。
4 糖化
淀粉水解 形成糖浆。
成分： 不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
应用： 食品添加剂、微生物饲料； ③实例2——乳酸菌 在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还 能提高免疫力
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1.解决资源短缺和环境污染问题 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。 2.将极端微生物应用于生产实践 ①极端微生物：自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶
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糖浆 啤酒花 冷却
过滤
装瓶 装罐
储存罐
5 蒸煮 产生风味组分， 终止酶的进一步 作用，并对糖浆 灭菌。
6 发酵
7 消毒
酵母菌将糖转化 杀死啤酒中的大
为 酒精 和CO2 多数微生物，延 （无氧呼吸） 长它的保存期。
8 终止
过滤、调节、 分装啤酒进行出售。
1. 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？