资源简介 (共47张PPT)第一章发酵工程第3节Bio-fermentation engineering and its application授课老师：XX发酵工程及其应用人教版选择性必修3科学思维科学探究社会责任基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程的概念。根据发酵产品和利用微生物的不同，讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。认可发酵工程在生产上重要的应用价值。学习目标PART 01发酵工程的基本环节THE BASIC LINK OF FERMENTATION ENGINEERING在工业上，青霉素是怎样生产的？青霉素PENICILLIN青霉素160万单位青霉素注射剂C13H20N2O2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，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，一瓶规格160万单位青霉素注射剂的价格只要1元左右。发酵工程的基本流程选育高产菌种配置培养基扩大培养灭菌接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品发酵工程的基本流程发酵工程的基本流程1234567891011121314151602观察孔03取样管04温度传感器和控制装置发酵罐示意图05冷却水进入口06阀门电动机07排气管08pH计09冷却水排出口10冷却夹层11发酵液12搅拌叶轮13生物传感器装置14空气入口15放料管16培养物或营养物质的加入口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。微生物的特定功能现代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成功设计温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等严格控制环境条件大规模生产发酵产品发酵工程的基本流程发酵工程的基本流程Step 1菌种的选育若生产的是微生物直接合成的产物若生产的是微生物不能合成的产物如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学的方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品目的。性状优良菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。发酵工程的基本流程Step 1菌种的选育对周围环境的温度、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。有极强的消化能力。有极强的繁殖能力。菌种特点生产柠檬酸生产啤酒生产谷氨酸产酸量高的黑曲霉基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期味精的主要成分谷氨酸棒状杆菌② C:N的比值也会影响谷氨酸发酵过程： C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少； C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。① 谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其与有氧呼吸有关的酶主要存在于细胞膜上。发酵工程的基本流程Step 1菌种的选育菌种选育常用方法的比较育种类型诱变育种基因工程原理方法优缺点基因突变物理、化学、生物因素诱变能大幅度改良某些性状，操作简便，但具有很大的盲目性DNA重组将目的基因导入受体细胞，构建工程细胞或工程菌能定向改变微生物的遗传性状，但操作过程复杂，要求高发酵工程的基本流程Step 2扩大培养工业发酵罐体积大(几十到几百立方米)，接种菌种总体积大(几立方米到几十立方米)，所以发酵前需对菌种多次扩大培养。增加菌种数量，缩短生产周期目的将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养方法发酵工程的基本流程Step 3培养基的配置在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。要求① 根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。② 培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH，以利于产物的合成。③ 应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。发酵工程一般使用液体培养基类型发酵工程的基本流程Step 4灭菌发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌。严格灭菌的原因因为杂菌将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。① 在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。② 在青霉素生产过程中混入杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。发酵工程的基本流程Step 5接种将扩大培养的菌种投放到发酵罐中。发酵工程的基本流程Step 6发酵罐内发酵发酵工程的中心环节随时检测培养液微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程。环境条件不仅影响微生物生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。检测和控制：温度、pH、溶解氧、压强、通气量、搅拌、泡沫和营养等。发酵罐发酵工程的基本流程Step 6发酵罐内发酵发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等温度可通过向冷却夹层通入冷水来调控需氧/厌氧pH可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱厌氧型：需封闭空气入口，建立厌氧环境等。需氧型：通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。发酵工程的基本流程Step 6发酵罐内发酵发酵的调节和控制方法温度升高的原因② 机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。① 微生物分解有机物释放的能量，会引起发酵温度升高。pH变化的主要原因培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。发酵工程的基本流程Step 6发酵罐内发酵关于发酵的三点提醒发酵罐在使用前要进行灭菌，培养基和发酵设备一般用蒸汽灭菌，空气采用过滤的方法除菌。对于需氧发酵，为了防止杂菌污染，应该从空气入口通入无菌空气。搅拌的作用① 使空气和发酵液充分混合，增加培养液中的溶解氧。② 使菌种与培养液充分接触，提高原料利用率。发酵工程的基本流程Step 7产品的分离发酵产物不同分离方法也不同发酵产品发酵产品是菌体本身发酵产品是代谢产物根据其性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行分离、提纯。采用过滤、沉淀等方式进行分离、提纯。Step 8提纯发酵工程的基本流程【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？低成本的培养基上能迅速繁殖生产所需代谢物的产量高发酵条件易控制菌种不易变异，退化等在进行发酵生产时，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？【2】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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。发酵工程的基本流程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？【3】传统发酵技术获得的产物一般是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法，在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物，无论是代谢物还是菌体本身，最后都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。PART 02发酵工程的应用APPLICATION OF FERMENTATION ENGINEERING发酵工程的应用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在医药工业上的应用在食品工业上的应用在农牧业上的应用在其他方面的应用【1】 在食品工业上的应用① 生产传统的发酵产品利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类大豆中蛋白小分子肽和氨基酸酱油黑曲霉淋洗、调制各种谷物、水果各种酒类酿酒酵母直接由微生物发酵生产的有酸奶、豆腐乳、泡菜、酸菜等【1】 在食品工业上的应用② 生产各种各样的食品添加剂L-苹果酸、柠檬酸、乳酸5‵-肌苷酸二钠、谷氨酸钠β-胡萝卜素、红曲黄色素黄原胶、β-环状糊精、结冷胶乳酸链球菌素、溶菌酶酸度调节剂增味剂着色剂增稠剂防腐剂利用黑曲霉发酵生产柠檬酸利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精食品中添加发酵生产的食品添加剂有方便面、火腿肠、饼干、果冻、薯片等【1】 在食品工业上的应用③生产酶制剂酶制剂是指酶经过提纯、加工后具有催化功能的生物制品，主要用于催化生产过程中的各种化学反应。利用微生物发酵生产α 淀粉酶、β 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等。目前已有50多种酶制剂用于食品生产。淀粉酶主要用于面包生产中的面团改良、婴幼儿食品中的谷类原料的预处理、啤酒制造中用于糖化和分解淀粉、果汁加工中的淀粉分解和提高过滤速度，以及用于蔬菜、糖浆、怡糖、葡萄糖、粉状糊精等食品的加工制造。蛋白酶用于水解蛋白生产、肉类软化、啤酒抗寒、烘烤制品、干酪制造等。【1】 在食品工业上的应用啤酒的工业化生产流程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上图所示。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。发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止主发酵后发酵啤酒是怎么炼成的？【1】 在食品工业上的应用1发芽大麦种子发芽，释放淀粉酶啤酒的工业化生产流程2烘烤加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失。【1】 在食品工业上的应用3研磨将干燥的麦芽研磨成麦芽酚啤酒的工业化生产流程4糖化淀粉分解，形成糖浆。【1】 在食品工业上的应用5蒸煮产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。啤酒的工业化生产流程6发酵酵母菌将糖转化为酒精和二氧化碳。【1】 在食品工业上的应用7消毒杀死啤酒中的大多数微生物延长它的保存期。啤酒的工业化生产流程8终止过滤、调节、分装啤酒进行出售。【1】 在食品工业上的应用啤酒的工业化生产流程注意说明1啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩大培养，缩短生产周期。接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。52焙烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。3蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。4发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？【1】 在食品工业上的应用“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。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？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。【2】【1】【1】 在食品工业上的应用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？【3】菌种的选育对原材料的处理发酵过程的控制产品的消毒……现代啤酒工厂【1】 在食品工业上的应用【4】现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如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？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？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。【2】 在医药工业上的应用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采用基因工程的方法,将植物或动物的基因转移到微生物中,获得具有某种药物生产能力的微生物利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素。2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通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素。3未来可能用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等。4利用基因工程将病原体的抗原基因转入微生物细胞，制成生物疫苗。【3】 在农牧业上的应用① 生产微生物肥料微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害。根瘤菌根瘤菌肥固氮菌肥CaNaKPMg【3】 在农牧业上的应用② 生产微生物农药微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害；是生物防治的重要手段微生物或生产出的药物防治对象苏去金芽孢杆菌白僵菌一种放线菌生产的抗生素——井冈霉素80多种农林虫害玉米螟、松毛虫等水稻枯纹病玉米螟松毛虫水稻枯纹病【3】 在农牧业上的应用③ 生产微生物饲料微生物含有丰富的蛋白质青贮饲料中添加乳酸菌，提高饲料品质，使饲料保鲜，同时提高动物免疫力。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，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。【4】 在其他方面的应用① 解决资源短缺和环境污染问题随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。② 将极端微生物应用于生产实践嗜热菌、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。极端微生物 — 自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。例：课堂检测【1】下列关于发酵工程的说法，不正确的是 ( )。A在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量B在发酵过程中，要随时检测培养液中的产物浓度C在发酵过程中，不需要再添加营养组分D在发酵过程中，要严格控制温度、pH和溶解氧等C解析发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，在发酵过程中要严格控制温度、pH和溶解氧、通气量与转速等发酵条件，还要及时添加必需的营养组分，以满足菌种的营养需要，C不正确，D正确。课堂检测【2】 下列产品需要利用发酵工程技术进行生产的有哪些？1生产单细胞蛋白饲料2通过生物技术快速繁育兰花等花卉3利用工程菌生产胰岛素4工厂化生产青霉素①③④提示①③④。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工厂化生产青霉素均需要利用发酵工程技术；通过生物技术快速繁育兰花等花卉属于植物组织培养技术，而非发酵工程技术。课堂检测【3】我国是名副其实的发酵大国，发酵工程在食品工业、医药工业及农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列相关叙述错误的是 ( )。A发酵工程的产品主要包括微生物代谢物、酶及菌体本身B利用酵母菌等菌种的发酵工程生产的单细胞蛋白，可作为食品添加剂CDD将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵可生产乙型肝炎疫苗利用发酵工程生产的微生物农药，作为化学防治的重要手段，可用于防治病虫害课堂检测解析发酵工程是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，主要包括微生物代谢物、酶及菌体本身，A正确；用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，B正确；可以将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，通过发酵工程制备乙型肝炎疫苗，C正确；微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用，D错误。版权声明版权声明课件版权归属“一起课件”，仅可自用，不可传播，不得用作商业性使用，不得上传至百度文库、等盈利网站。任何侵权行为将被视为版权侵害，侵权者将承担一定的法律责任。 展开更多...... 收起↑ 资源列表 1.3 发酵工程及其应用（课件）.pptx 视频素材1.mp4 视频素材2.mp4
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