資源簡介

(共36張PPT)
果膠酶
女兒紅
八年冬服費
女兒紅前酒有
第1章發酵工程
第3節發酵工程及其應用
海天 圈 海天醬油
生抽醬油
從社會中來 早期科學家只能從青霉菌中提取少量青霉 素，它的價格貴如金。
問題： 那么,在工業上青霉素究竟是怎樣生產的呢
一根金條 一 元
天價 白菜價
青霉素
是世界上第一個應用于
臨床的抗生素。
早期1瓶規格大 概20萬單位的青 霉素最高賣到
如今1瓶規格 160萬單位的 青霉素注射劑
發酵工程：是指采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人
類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種新技術。
微生物純培養技術的
建立
密閉式發酵罐的設計
成功
人們對發酵原理的認識
發酵工程形成
CONTENTS
1/ 發酵工程的基本環節
2/ 發酵工程的應用
遷射用青雷索
目錄
女 兒 紅
八 年 服 黃 道
一 .發酵工程的基本環節
結合教材P 2圖1-9,熟悉發酵工程的基本環節及具體內容，
嘗試完成P 3【 思考 ·討論】
問題： 生物菌種資源豐富， 選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素

選育菌種
擴大培養
配制培養基
性狀優良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘
變育種或基因工程育種獲得。
如青霉素、谷氨酸等，則可從 自然界中先分離出相應菌種， 再用物理或化學的方法誘變育 種，從突變個體中篩選出符合 生產要求的優良菌種。
用基因工程、細胞工程的方 法對菌種的遺傳特性進行定 向改造，以構建工程細胞或 工程菌，從而達到生產相應 產品目的。
生產微生物不
能合成的產品
生產微生物直 接合成的產物
一 .發酵工程的基本環節
某鎮特產一種美酒，以下是對該鎮
環境的描述：四面環山，地勢低洼，氣
候炎熱，具有獨特的微生物種群，因為
與外界的空氣對流循環較緩慢，所以微
生物種群較穩定。這對你理解發酵工程
中菌種選育的重要性有什么啟示
思考討論1:生物菌種資源豐富， 選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素
①在低成本的培養基上能迅速生長繁殖
②生產所需代謝物的產量高
③發酵條件容易控制
④菌種不易變異、退化等
一 .發酵工程的基本環節
選育菌種 性狀優良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘
變育種或基因工程育種獲得。
擴大培養
檸檬酸 啤酒 味精
青霉素
黑曲霉 啤酒酵母 谷氨酸棒狀桿菌
黃青霉
配制培養基
發酵罐內 發酵
分離提純 產物
滅菌 接種
獲得 產品
一 .發酵工程的基本環節
問題：擴大培養目的是什么 怎樣對菌種進行擴大培養
(1)增加菌種數量， 縮短生產周期
(2)將培養到生長速度最快時期的菌體分開，再進行培養
問題：擴大培養所用的培養基，從性質上分類，是什
么類型的培養基 發酵工程一般使用液體培養基
選育菌種
擴大培養
配制培養基
滅菌
分離提純 產物
發酵罐內 發酵
獲得 產品
接種
具 口7量
一 .發酵工程的基本環節
問題： 配制培養基需要考慮哪些因素
(1) 在菌種確定之后，要選擇原料制備培養基。應包 括微生物生長所需的碳源、氮源、水、無機鹽及特殊 營養要求。
(2)生產實踐中，培養基配方要經過反復實驗才能確 定(即不斷優化培養基)
選育菌種
擴大培養
配制培養基
滅菌
發酵罐內 發酵
分離提純 產物
獲得 產品
接種
一 .發酵工程的基本環節
問題：為什么要滅菌
①發酵工程所用的菌種大多數是單一菌種。
②滅菌的目 的：
· 雜菌與菌種之間形成的種間競爭關系使產量下降
· 雜菌產生的代謝物抑制菌種的生長使產量下降。
· 防止雜菌污染而影響產品的質量和品質。
③ 實 例 ：
在青霉素生產過程中如果污染了雜菌，雜菌分泌 青霉素酶就會將青霉素分解掉。
發酵罐內 分離提純 獲得
發酵 產物 產品
選育菌種
擴大培養
配制培養基
滅菌
接種
一 .發酵工程的基本環節
選育菌種 將擴大培養后的菌種投放到 發酵罐中
擴大培養
配制培養基 液體菌接種
滅菌 接種 發酵 產物 產品
發酵罐內 分離提純 獲得
選育菌種
擴大培養
配制培養基
滅菌
監控要點一
要在發酵過程中隨時 取 樣 ，檢測培養液中 的微生物數量、產物 濃度等，以了解發酵 進程 。
實例 ：谷氨酸的發酵生產：在中性和弱堿性條件下會積累 谷
氨 酸；在酸 性條件下則容易形成谷氨酰胺和N- 乙酰谷氨酰胺。
監控要點三
嚴格控制溫度、pH、 溶解氧、通氣量與 轉速等發酵條件， 已獲得所需的發酵 產物 。
監控要點二
及時添加必需的營養 物質組分來延長菌體 生長穩定期的時間， 以得到更多的發酵產 物。
… 一 .發酵工程的基本環節
發酵工程的中心環節
發酵罐內 發酵
分離提純 產物
獲得 產 品
接種
一 .發酵工程的基本環節
思考討論2:怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生 長需要
要對溫度、pH、溶解氧等發酵條件進行嚴格控制，使其 最適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必要的營養組分
°①反復試驗確定培養基的配方；
②對培養基和發酵設備進行嚴格的滅菌；
③隨時檢測培養液中微生物的數量、產物濃度等；
④及時添加必需的營養組分；
⑤嚴格控制溫度、pH和溶氧量等發酵條件，使用計算機控 制系統對各種條件進行監測和控制，以及反饋控制。
選育菌種
擴大培養
配制培養基
發酵罐內 發酵
分離提純 產物
滅菌 接種
獲得 產品
調節罐壓
不斷攪拌的目的：
①使菌種與發酵液混合 均勻，提高原料利用率； ②加快O 的溶解以及
散 熱 。
控制溶解氧含量
電動機
排氣管
pH 計
冷卻水排出口
冷卻夾層
發酵液
攪拌葉輪
生物傳感器裝置
空氣入口
放料管
培養物或營養
物質的加入口
觀察孔
取樣管
溫度傳感器 及控制裝置
冷卻水進入口
一 .發酵工程的基本環節
調節罐溫
閥門
抽取樣本 進行檢測
發酵罐示意圖
分離、提純產物的方法措施：
發酵產物類型 獲得產品的方法
微生物細胞 過濾、沉淀等方法
代謝物 適當的提取、分離和純化措施
一 .發酵工程的基本環節
選育菌種
配制培養基
滅菌 接種
分離提純 產物
發酵罐內 發酵
獲得 產品
擴大培養
發酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段，常采用沉淀、 萃取、膜分離、吸附或離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結
晶法等方法。發酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢查，合格 后才能成為正式產品。
傳統發酵技術獲得的產物一般不是單一的組分，而是成分復雜的混合 物 ，很多時候
不會再對產物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離提純 產 物 。
思考討論3:在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些
改進之處
一 .發酵工程的基本環節
因為在進行發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境 的物質。
思考討論4:在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到
外界環境中嗎 為什么
為了減少或避免污染物的產生和排放，實現清潔生產，應該對排出
的氣體和廢氣培養液進行二次清潔或滅菌處理。
一 .發酵工程的基本環節
不能
課堂練習(作業案P 0)
1. 發酵工程在工業生產上得到廣泛應用，其生產流程如圖所示。結合賴氨
酸或谷氨酸的生產實際，下列說法不正確的是( D
A.① 為誘變育種，②為萃取(或蒸餾或離子交換等)
B. 賴氨酸或谷氨酸的生產過程中為使產物源源不斷地產生，可采用連續 培養的發酵方式
C. 由于賴氨酸或谷氨酸的發酵菌種為好氧菌，在生產過程中常需增加通 氧量
D. 人工控制微生物代謝的唯一措施是控制生產過程中的各種條件
( 一 )優點：
產物專一
原料來源豐富
且價格低廉
( 二 ) 運 用 ：
食品 醫藥
二.發酵工程的應用
生產條件溫和
廢棄物對環境污
染小且容易處理
農牧 其他
二 .發酵工程的應用
優利酶
畜禽通用高檔復合酶制劑
畜禽通用酶制劑
提高飼料營養
酶制劑
淀粉酶、果膠酶、脂肪酶 和氨基肽酶等
用于食品的直接生產、改進生
產工藝、簡化生產過程、改善
產品的品質和口味、延長食品
儲存期和提高產品產量等方面
傳統的發酵產品 食品添加劑
利用黑曲霉生產醬油 利用酵母菌生產酒類 明顯提高產品的產量和質量
利用黑曲霉生產檸檬酸
利用谷氨酸棒狀桿菌生產味精
增加食品的營養，改善食品
的口味、色澤和品質，延長
食品的保存期
1. 在食品工業上的應用
… 二 .發酵工程的應用
1. 在食品工業上的應用
①生產傳統的發酵產品
利用霉菌發酵生產醬油、
利用釀酒酵母發酵生產各種酒類：
大豆中蛋白質 黑曲霉 小分子肽和氨基酸 淋洗、調制 醬油
谷物、水果 釀酒酵母 酒精+CO 酒類
二 .發酵工程的應用
思考 ·討論——啤酒的工業化生產流程
你喝過啤酒嗎
你喜歡喝啤酒嗎
你知道啤酒是怎么制作的嗎
主發酵 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代謝物生成。
后發酵 在低溫、密閉的環境下儲存一段時間，形成澄清、成熟的啤酒。
大 麥 種 子 發 芽
釋放淀粉酶
大 麥
1 發芽
將麥芽磨成粉
60至70度
的溫水
窒 燒 / 烘 焙
2 焙烤
殺死啤酒中的大多數微
思考 ·討論：啤酒的工業化生產流程
發酵桶 酵 母 菌 將 糖 轉 化 為 酒 精 和CO2
6 發酵
研磨機
3 碾磨
過 濾 裝 置
8 終止
化攝拌機
4 糖 化
膜間巴土殺圓
7 消毒
意 沸 壺
5 蒸煮
殺 死 種 子 胚 但
不 使 淀 粉 酶 失 活
輥軸
菌種的選育、對原材料的處理、發酵過程的控制，產品的消毒等，都有 助于提高啤酒的產量和品質。
問題2:現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不 同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用
“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題 “精釀” 啤酒是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需 求，我們如何辯證地看待大規模生產與小規模制作
問題1:與傳統的手工發酵相比，在下面啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手 段使啤酒的產量和質量明顯提高
思考 ·討論：啤酒的工業化生產流程
菌種的選育、對原材料的處理、發酵過程的控制，產品的消毒等，都有 助于提高啤酒的產量和品質。
問題2:現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不 同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用
“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題 “精釀” 啤酒是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需 求，我們如何辯證地看待大規模生產與小規模制作
應該辯證地看待這一產品。 一方面，這類產品具有多樣化的特點，能夠 滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面，這 類產品是手工作坊式生產的，存在啤酒品質不穩定、價格昂貴的問題。
問題1:與傳統的手工發酵相比，在下面啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手 段使啤酒的產量和質量明顯提高
思考 ·討論：啤酒的工業化生產流程
1. 在食品工業上的應用
①生產傳統的發酵產品
②生產各種各樣的食品添加劑
· 實例1——檸檬酸
黑曲霉
淀粉 淀粉酶 葡萄糖檸檬酸合成酶 檸檬酸
· 實例2——味精
谷氨酸棒狀桿菌 發酵 谷氨酸- 處理 味精
氧氣
砂 糖 、濃縮蘋
木糖醇、檸橡酸、
膠 、D- 異抗壞血
素)、食品用香精
)
Mc 四
味 精
(無鹽)
谷氨酸鈉含量>
河南罐花自品有眼公司
增加食物的營
養，改善食品 的口味、色澤 和品質，延長 食品的保存期
二.發酵工程的應用
微生物或代謝產物 防治病蟲害種類
蘇 云 金 桿 菌
微 生 物 菌 劑 原 菌 粉
蘇云金桿菌 80多種農林蟲害
有效活菌數：1×101cfu/g
夏緊票高警需獎酸H零幢不船標委望
· 不產生抗性
· 對人畜安全
· 防治效果好
品
保質期：12個月
廣州市微元生物科技有限公司
H m
白僵菌 玉米螟、松毛蟲
一種放線菌產生的抗生素 —井岡霉素 水稻紋枯病
①生產微生物肥料 微生物農藥是利用 微生物或其代謝物來
②生產微生物農藥 防治病蟲害的。
微生物農藥作為生物防治 的重要手段
二 .發酵工程的應用
3.在農牧業上的應用
-
球孢白僵菌
項目 微生物農藥防治
化學農藥防治
防治 機理 利用微生物或代謝 物進行防治
利用化學藥劑(如殺蟲劑、 殺鼠劑)等進行防治
優點 成本低、無污染， 可以維持生態平衡
見效快，操作簡單
缺點 防治速度慢
成本高，污染環境，不利于 維持生態平衡
微生物農藥防治和化學農藥防治的比較
二 .發酵工程的應用
拓展
獲得了大量的微生物菌體，即單細胞蛋白。 應用——食品添加劑、微生物飼料
實例2——乳酸菌
在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質，使飼料保鮮，動物食用 后還能提高免疫力。
3.在農牧業上的應用
生產微生物肥料
生產微生物農藥
生產微生物飼料
實例1——單細胞蛋白
許多國家以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發酵
二 .發酵工程的應用
微生物含有豐富的蛋白質
單細胞蛋白
二 .發酵工程的應用
4.在其他方面的應用
解決資源短缺和環境污染問題
利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質
對極端微生物(生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環境)的利用
利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產洗滌劑；嗜低溫菌提高熱敏性產品的產量
發酵工程正滲透到幾乎所有的工農業領域，在助力
解決 糧食、環境、健康和 能 源_ 等方面的重大問題上， 作出了越來越大的貢獻。
課堂練習(作業案P 1)
2. 下列有關發酵工程的敘述，正確的是(B)
A. 單細胞蛋白就是從人工培養的微生物菌體中提取的蛋白質
B. 可通過誘變育種、基因工程等方法選育出性狀優良的菌種進行擴大培 養
C. 發酵工程與傳統發酵技術最大的區別是前者可以用微生物進行發酵
D. 通常所指的發酵條件包括溫度、溶解氧、 pH 和酶的控制等
練習與應用
一 、概念檢測
與傳統發酵技術相比，發酵工程的產品種類更加豐富，產量和質量明顯提
高。判斷下列相關表述是否正確。
1.發酵工程與傳統發酵技術最大的區別就是前者可以利用微生物來進行發 酵。(×)
2.發酵工程的產品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。(√)
3.在發酵工程的發酵環節中，發酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖， 也會影響微生物的代謝途徑。(√)
4.通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。(× )
練習與應用
二、拓展應用
1.在青霉素的發酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識
或查閱資料，并發揮想象力，提出解決這些問題的思路。
(1)青霉素發酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發酵過程中給微生物持續高 效地供氧呢 (提示：血紅蛋白具有攜帶O2的能力)
可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉入青霉素生產菌來提高菌
體對氧的吸收和利用率。
二、拓展應用
(2)在發酵過程中，總有頭孢霉素產生。人們通過對青霉素生產菌代謝途徑
的研究發現，在青霉素與頭抱霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體 ， 這個前體經過兩種不同酶的作用分別合成兩個產物。如何改造青霉素生產 菌使其只生產青霉素，或者只生產頭孢霉素呢
可以對兩種酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉
素生產菌只生產一種產物。
練習與應用
練習與應用
二、拓展應用
2. 通過微生物發酵，可以將糧食(如玉米、小麥等)及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將
燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我國多地廣泛使用的乙醇汽油。 乙醇汽油的環保性令人稱道。調查顯示，使用乙醇汽油與使用普通汽油相比，排放到空 氣中的NO2 、CO 等均有不同程度下降。有人認為燃料乙醇“可再生”;但也有人認為， 生產燃料乙醇需要消耗大量糧食，會增加糧食短缺的風險。請你嘗試通過查閱資料，評估 這一風險，并說明在生產時應如何規避這一風險。
這一風險是存在的。在生產燃料乙醇時，為了規避這一風險，應該使用陳化糧食(如陳
化的稻谷等)或者非糧食生物材料(如秸稈等)。使用陳化糧食來生產燃料乙醇，還有利于 防止問題糧食流入市場。

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