资源简介

(共36张PPT)
发酵工程及其应用
从社会中来
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？
01
发酵工程
发酵工程
指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 它涉及菌种的选育和培养，产物的分离和提纯等方面。
大规模生产发酵产品
微生物的特定功能
现代化工程技术
1.什么是发酵工程？
2.发酵工程的一般流程是什么？
3.发酵工程能生产哪些产品呢？
02
发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
接种
灭菌
配制培养基
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
发酵工程的基本环节和发酵罐示意图
一、发酵工程的基本环节
1
3
2
4
5
6
7
选育菌种
8
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
扩大培养
配制培养基
灭菌
1.选育菌种
（1）目的：获得性状优良的菌种
（2）菌种来源：a.从自然界中筛选；
b.诱变育种或基因工程育种。
（3）实例：
生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。
在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。
一、发酵工程的基本环节
1
3
2
4
5
6
7
选育菌种
8
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
扩大培养
配制培养基
灭菌
2.扩大培养
目的：获得更多的菌种
原因：工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。
一、发酵工程的基本环节
1
3
2
4
5
6
7
选育菌种
8
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
扩大培养
配制培养基
灭菌
3.配制培养基
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
4.灭菌
发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。
一、发酵工程的基本环节
1
3
2
4
5
6
7
选育菌种
8
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
扩大培养
配制培养基
灭菌
5.接种
将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
6.发酵罐内发酵
发酵工程的中心环节
要求∶
①随时检测微生物数量、产物浓度;
②及时添加营养、严格控制发酵条件；
为什么要严格控制发酵条件的原因？
①环境条件会影响微生物的生长繁殖和微生物代谢物的形成；
②有利于使发酵全过程处于最佳状态。
例如谷氨酸发酵：
①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸;
②在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
一、发酵工程的基本环节
发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
计算机控制系统
温度、pH、溶解氧、罐压、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
控制
检测
微生物的生长繁殖和代谢物的形成
影响
发酵条件
一、发酵工程的基本环节
1
3
2
4
5
6
7
选育菌种
8
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
扩大培养
配制培养基
灭菌
7.分离、提纯产物
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。
如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
8.获得产品
发酵工程基本环节分析
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？
Q1
产物方面
目的产物多，副产物少
设备方面
发酵条件容易控制
菌体方面
菌体生长繁殖力强，耐受力强，抗污染、菌种不易变异、退化
原料方面
来源广，低成本、转化率高
发酵工程基本环节分析
怎么对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
Q2
01
反复试验确定培养基的配方。
对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。
用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。
控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。
及时添加必需营养成分。
02
03
04
发酵工程基本环节分析
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？
Q3
传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，基本没有经过产物分离和提纯等步骤。
根据产物的种类采取不同的分离、提纯方法。
若发酵产物是微生物细胞本身，则采用过滤、沉淀等方法将菌体分离、提纯。
若发酵产物是代谢物，则根据代谢物性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法分离、提纯。
发酵工程基本环节分析
在进行发酵生产时，排出的气体和废物培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？
Q4
不能。
发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备，达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。
因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。
03
发酵工程的应用
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
发酵工程的特点
在食品工业上的应用
在医药工业上的应用
在农牧业上的应用
在其他方面的应用
发酵工程的应用
03
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
①生产传统发酵产品
酱油
大豆(主要原料)
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
各种酒类的生产
03
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
①生产传统发酵产品
啤酒的工业化生产流程
思考·讨论
发芽
1
2
焙烤
3
碾磨
4
糖化
大麦
水
糖化罐
大麦种子发芽，
释放淀粉酶。
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
03
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
①生产传统发酵产品
蒸煮
5
6
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。
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
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，大部分糖分解和代谢物生成。
在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。
03
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
①生产传统发酵产品
思考 · 讨论
发酵工程
及其应用
利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
Q1
啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？
Q2
“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖。
“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。
醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
思考 · 讨论
发酵工程
及其应用
与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
Q3
工业化啤酒发酵利用现代发酵工程技术，利用最佳发酵条件。如营养要求、培养温度、pH、溶解氧等。
选择纯化培养的酵母菌，经消毒灭菌等，提高啤酒产量和质量。
首先
其次
思考 · 讨论
发酵工程
及其应用
Q4
“精酿”啤酒的制作工艺与普通啤酒有所不同：
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，怎么看待这个问题？
精酿啤酒发酵完成后往往不会进行过滤和杀菌等步骤，这样会使得啤酒的保鲜时间较短，安全性较差。
03
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
②生产各种各样的食品添加剂
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、溶菌酶
增加食品的营养
延长食品的保存期
改善食品的口味、色泽和品质
淀粉
淀粉酶
葡萄糖
黑曲霉
柠檬酸
柠檬酸合成酶
谷氨酸棒状杆菌
发酵
谷氨酸
味精
处理
氧气
03
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
③生产酶制剂
酶制剂：
从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
分 类：
胞内酶和胞外酶
作 用：
易于工业化生产，便于改善工艺、提高质量。
举 例：
果胶酶；脂肪酶；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基酸肽酶
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
①发酵工程生产的药物
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的抗原基因
转入
发酵
工程
药物
疫苗
2.在医药工业上的应用
②发酵工程生产药物的方法
03
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
微生物肥料的原理
利用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、增强植物抗病性和抗逆性。
利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的的发生。
常见微生物肥料：
根瘤菌肥、固氮菌肥
03
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
②生产微生物农药
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
常见微生物农药：
苏云金杆菌(Bt毒蛋白): 防治80多种农林害虫
白僵菌(真菌): 防治玉米螟、松毛虫
放线菌 (井冈霉素): 防治水稻枯纹病
想一想
防治类型属于什么防治？
生物防治
蛋白质
微生物菌体
微生物含有丰富的________________。
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______________，即单细胞蛋白，用其制成的微生物饲料，使家畜、家禽增重快，产奶/产蛋量显著提高。
③生产微生物饲料
3.在农牧业上的应用
具体应用 成果
在其他方面的应用 解决资源短缺和环境污染问题
对极端微生物的利用
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯
嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
4.在其他方面的应用
我国是名副其实的发酵大国
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、__________和__________等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
健康
能源
粮食
环境
能源
健康
知识小结
发酵工程
发酵工程的基本环节
发酵工程的应用
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
食品工业上的应用
医药工业上的应用
农牧业上的应用
其他方面的应用
发酵工程的特点
练习与应用
一、概念检测
与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质粒明显提高。判断下列相关表述是否正确。
（1）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。
（ ）
（2）发酵工程的产品主要包括微生物的代谢、酶及菌体本身。（ ）
（3）在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。（ ）
（4）通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ）
×
√
×
√
二、拓展应用
1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。
（1）青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？
（2）在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同的酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？
练习与应用
可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。
可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。
2. 通过微生物发酵，可以将粮食（如玉米、小麦等）及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的 NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量的粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这一风险。
练习与应用
在生产燃料乙醇时,为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸杆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。

展开更多......

收起↑