资源简介

(共32张PPT)
人教版（2019）选择性必修三
发酵工程及其应用
第1章 发酵工程
1.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
2.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
3.认可发酵工程在生产上重要的应用价值
学习目标
　　
从社会中来
　　
从社会中来
青霉素是世界上第一种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？
目录
01
发酵工程的基本环节
02
发酵工程的应用
发酵工程
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。
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）
大规模生产
发酵产品
微生物的特定功能
现代化工程技术
发酵工程的基本环节
生产柠檬酸
生产啤酒
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
谷氨酸棒状杆菌
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
现代发酵工程使用大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、　　　　　、罐压、通气量、搅拌、泡沫和　　　等进行监测和控制；还可以进行　　控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵罐内发酵
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
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
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。
生产青霉素
黄青霉
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
发酵工程的基本环节
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、　 　 、罐压、通气量、搅拌、泡沫和　 等进行监测和控制；还可以进行　 　控制，使发酵全过程处于最佳状态。
分离、提纯产物
获得产品
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、　　　　等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的　 ，要严格控制温度、pH和　 __ 等发酵条件。
环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
产物浓度
营养组分
溶解氧
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用　　　、沉淀等方法将菌体分离和　　　，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的　　　采取适当的提取、分离和　 　措施来获得产品。
溶解氧
营养
反馈
过滤
干燥
性质
纯化
发酵工程的基本环节
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
控制溶解氧含量
不断搅拌的目的：
①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率
②加快O2的溶解以及散热
发酵工程的基本环节
【思考·讨论】
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
发酵工程的基本环节
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
发酵工程的基本环节
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？
（1）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、吸附或离子交换等方法；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，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品
（2）传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而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、过滤等方法来分离提纯产物
发酵工程的基本环节
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。
发酵工程的应用
1.发酵工程的特点
（1）生产条件温和
（2）原料来源丰富且价格低廉
（3）产物专一
（4）废弃物对环境的污染小且容易处理
2.发酵工程的应用
食品、医药、农牧业、其他方面
发酵工程的应用
在食品工业上的应用
大豆（主要原料）
（1）酱油
黑曲霉
（蛋白酶）
小分子肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
（2）各种酒类
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
——传统发酵产品
发酵工程的基本环节
发酵工程的应用
【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程
啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。
发芽
焙烤
碾磨
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
发酵工程的应用
【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程
啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。
蒸煮
发酵
消毒
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
发酵工程的应用
【讨论】
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？
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？
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。
发酵工程的应用
在食品工业上的应用
（1）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
延长食品的保存时
——食品添加剂
【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
发酵工程的应用
在食品工业上的应用
——酶制剂
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
酶制剂的作用
α-淀粉酶
β-淀粉酶
果胶酶
氨基酸肽酶
脂肪酶
… …
酶制剂
发酵工程的应用
在医药工业上的应用
（1）工程菌
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
（2）改造菌种
采用基因工程等的方法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
（3）疫苗
利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用
发酵工程的应用
在农牧业工业上的应用
（1）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。
常见的微生物肥料
根瘤菌肥、固氮菌肥
发酵工程的应用
（2）微生物农药
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
防治类型：生物防治
微生物或代谢产物 防治病虫害种类
苏云金杆菌 80多种农林害虫
白僵菌 玉米螟、松毛虫
一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素） 水稻枯纹病
发酵工程的应用
（3）微生物饲料
原理：微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
实例1——单细胞蛋白
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
单细胞蛋白应用——食品添加剂、微生物饲料
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
发酵工程的应用
在其他方面的应用
（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
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
【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
发酵工程的应用
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。截至2015年，我国生物发酵产业年总产值近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。
课堂小结
发酵工程
基本环节
应用
配制培养基
灭菌
接种
选育高产菌种
扩大培养
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
食品工业
医药工业
生产传统发酵食品
农牧业
其他方面
生产食品添加剂
生产酶制剂
微生物肥料
微生物农药
微生物饲料
解决资源短缺
与环境污染问题
极端微生物利用
生产酶
氨基酸
激素
免疫调节剂
随堂练习
1.啤酒的工厂化生产流程中，涉及发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒和终止等若干工艺流程。下列相关说法错误的是( )
A.焙烤可以杀死大麦种子的胚，并使淀粉酶变性失活
B.糖化过程中淀粉酶将淀粉分解成糖浆
C.蒸煮可以杀死糖浆中的微生物，避免杂菌污染
解析：A、焙烤可以杀死大麦种子的胚，但不使淀粉酶失活，A错误；B、糖化过程中淀粉酶将淀粉分解成为糖浆，B正确；C、蒸煮相当于煮沸消毒法，可以杀死糖浆中的微生物，避免杂菌污染，C正确；D、消毒可以杀死啤酒中的大多数微生物，避免杂菌污染，从而延长其保存期，D正确。故选A。
A
随堂练习
2.我国劳动人民利用传统发酵技术制作出大量美味食品，如果酒、果醋、酱油、腐乳、泡菜等，传承和发扬了中华优秀传统饮食文化。随着科技的发展，现代发酵工程在食品领域的应用更加广泛。下列关于发酵的叙述，正确的是( )
A.啤酒的工业化生产过程中，使用的都是天然菌种
B.果醋、酱油、腐乳的发酵利用的主要菌种都是真核生物
C.发酵结束后，采用过滤、沉淀等方法进行分离和干燥即可得到产品
D.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
解析：啤酒工业化生产常用纯种菌种，A错误；果醋发酵用醋酸菌（原核生物），B错误；发酵结束后分离提纯步骤复杂，不止过滤沉淀，C错误；发酵条件影响微生物生长和代谢途径，D正确。
D
随堂练习
3.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
B.食醋发酵菌种中的微生物种类都相同
C.味精是由谷氨酸棒杆菌发酵产生的谷氨酸经过一系列处理获得的
D.由于酶制剂催化效率高、专一性强、作用条件温和，因此在使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类以及适宜的温度和pH
解析：酱油是以大豆为主要原料,利用产生蛋白酶的霉菌(如黑曲霉),将原料中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸,然后经淋洗、调制而成的,A正确。不同种食醋的发酵菌种中微生物种类不一定相同,如镇江香醋和山西老陈醋的发酵微生物种类存在差异,B错误。谷氨酸棒杆菌在适量通气条件下发酵可以获得谷氨酸,谷氨酸经过一系列处理能够制成味精,C正确。酶制剂是从生物体内提取出来的具有酶特性的一类化学物质,因此使用时要考虑酶制剂的使用量、底物的种类、适宜的温度和pH等,D正确。
B
感谢各位的聆听
人教版（2019）选择性必修三

展开更多......

收起↑