发酵工程 自然科学
发酵工艺学课件
按产品类型分
1、以微生物细胞为产品的发酵工业 2、以微生物代谢产物为产品的发酵工业 3、以微生物酶为产品的发酵工业 4、生物转化或修饰化合物的发酵工业 5、微生物废水处理和其他
六、发酵工业特征
发酵过程中离不开微生物的作用 1、发酵原料的选择及预处理
4.易受污染：由于发酵培养基营养丰富，各种来源的微生物 都很容易生长，发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。
5.代谢多样：由于各种各样生物体代谢方式、代谢过程的多样 化，以及生物体化学反应的高度选择性，能够专一性地和 高度选择性地对复杂的化合物进行特定部位的氧化、还原 等反应；也能容易地产生比较复杂的高分子化合物（如酶 等）。
➢ 利用微生物消除环境污染 ➢ 利用微生物发酵保持生态平衡，如生物固氮肥料，生物杀
虫剂等。 ➢ 微生物湿法冶金，如细菌浸矿，即利用细菌对矿物或矿石
中有用的金属浸出回收的过程。细菌浸出的金属有Cu、U 、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余种，但大规模生产的只有 铜和铀。 ➢ 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。
Protein engineering) 基因工程 ( Genetic engineering) 细胞工程 ( Cell engineering ) 2. 生物工程中其他技术产业化表达的重要手段 基因工程菌 动植物细胞培养 3. 生命科学研究的对象或载体
自相 成互 体渗 系透
➢ 基因工程 ➢ 细胞工程 ➢ 酶工程 ➢ 发酵工程
在化学工业和环境保护等方面，发酵工程能发挥独持的作用
如：利用微生物来处理工业废水或含毒废液，乃至构建超级细菌，处理大 面积的海面石油污染等。
喷洒工程菌清除石油污染
1.3 发酵工程及其应用 课件-2021-2022学年人教版（2019）高中生物选择性必修3
②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。
(3)生产酶制剂
常用酶制剂有α-Байду номын сангаас粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、 氨基肽酶和脂肪酶等。目前，已有50多种酶 制剂成功用于食品的直接生产、改进生产工 艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、 延长食品储存期和提高产品产量等方面。
获得产品
1.监测和控制温度、pH和溶解氧、罐 压、通气量、搅拌、泡沫和营养等。反 馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 2.随时检测培养液中的微生物数量、产 物浓度等，及时添加必需的营养组分。
1.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得到产品。 2.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。
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。
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?
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、 过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程中使 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，都需要进行质量检查，合格后 才能成为正式产品。
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。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
高中生物新人教版选择性必修3发酵工程及其应用课件(29张)
2．下列对发酵罐内发酵的相关叙述，不正确的是 ( ) A．该过程是发酵工程的中心环节 B．应随时检测培养液中微生物的种类、产物浓度等 C．要严格控制温度、pH 和溶解氧等发酵条件 D．要及时添加必需的营养成分 答案：B
[归纳提升] 影响发酵过程的因素 (1)温度 ①温度影响酶活性。在最适温度范围内，随着温度的升高，菌 体生长和代谢加快，发酵反应的速率加快。当超过最适温度范 围以后，随着温度的升高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期 缩短，产量降低。 ②温度影响生物合成的途径。例如：金色链霉菌在 30 ℃以下 时，合成金霉素的能力较强，当温度超过 35 ℃时，则只合成 四环素而不合成金霉素。
(3)溶解氧 氧的供应对需氧发酵来说，是一个关键因素。必须向发酵液中 连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在 发酵液中的溶解度。 (4)泡沫 ①通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等， 都有可能产生泡沫。 ②过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐 的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常。
时还通过摩擦产生了热能。
答案：D
3．有关谷氨酸发酵的叙述中正确的是
()
A．发酵中要不断通入空气
B．培养条件不当将不能得到产品
C．搅拌的唯一目的是使空气成为小泡
D．冷却水可使酶活性下降 解析：进行谷氨酸发酵的菌种是异养需氧型微生物，所以要在
培养过程中不断通入空气，但是必须通入的是无菌空气，普通
空气容易造成杂菌污染。搅拌不但使空气成为小气泡以增加培
(2)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
(√)
(3)食品工业中经常用到的酶制剂都是通过发酵工程生产的 (×)
微生物发酵工程
发酵工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
发酵工程的内容它是一级学科“轻工技术与工程”中的一个重要分支和重点发展的二级学科，在生物技术产业化过程中起着关键作用。
1）“发酵”有“微生物生理学严格定义的发酵”和“工业发酵”，词条“发酵工程”中的“发酵”应该是“工业发酵”。
（2）工业生产上通过“工业发酵”来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工艺”。
为实现工业化生产，就必须解决实现这些工艺（发酵工艺）的工业生产环境、设备和过程控制的工程学的问题，因此，就有了“发酵工程”。
（3）发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。
发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。
（4）微生物是发酵工程的灵魂。
近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。
（5）发酵工程最基本的原理是发酵工程的生物学原理。
发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。
人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。
随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。
现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。
例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。
新课标高中生物人教版选择性必修123册教材解读〖第1章 发酵工程〗
第1章发酵工程人类利用发酵技术的历史悠久。
进入近代社会，传统发酵技术发展为现代发酵工程，并在现代社会生活中发挥着不可或缺的作用。
通过本章的学习，学生可以尝试制作传统发酵食品，初步学会微生物的基本培养技术，了解发酵工程的基本原理、过程和应用。
本章教材分析一、内容结构二、编写思路课程标准中与本章有关的要求如下。
（1）内容要求概念3 发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品。
（2）教学提示通过配制培养基、灭菌、接种和培养等实验操作获得纯化的酵母菌落；分离土壤中分解尿素的细菌，并进行计数；利用乳酸菌发酵制作酸奶或泡菜；利用酵母菌、醋酸菌分别制作果酒和果醋。
（3）学业要求课程标准中关于本模块的3条要求均与本章有关。
（一）章首页设计意图本章章首页底图为某发酵生产工厂外景一角，照片中几个大型发酵罐十分醒目。
图片能反映现代发酵工程“大规模”生产这一特点。
章首页的引言，介绍了发酵技术与人们日常生活的联系，同时提出问题引导学生关注发酵工程需要的技术支持，以及发酵工程与传统发酵技术的区别和联系，这些都是本章的核心问题。
在本页左下角介绍了发酵工程的定义。
学生未必能通过定义理解发酵工程涉及的技术要求，此处给出定义意在让学生在本章伊始先对发酵工程从总体上有个大致了解，在学完本章之后再理解发酵工程的技术要求和社会意义。
（二）本章内容安排特点从本模块教材涉及的发酵工程、细胞工程、基因工程等内容来看，发酵工程的原理相对比较简单，学生对发酵技术的应用也有一定的了解，因此本模块教材首先安排发酵工程这一章，让学生从相对简单的工程及其应用开始本模块的学习。
“科技探索之路从传统发酵技术到发酵工程”简要地叙述了发酵工程发展的历程。
人类很早就认识到发酵现象，几千年前就已经利用发酵技术酿酒。
不过发酵工程的形成，却是建立在有关科学和工程技术发展的基础上。
教材从9000年前开始介绍，重点介绍了从1850年到202180年代发生的几个标志性的事件。
《发酵工程及其应用》 学历案
《发酵工程及其应用》学历案一、课程目标1、理解发酵工程的概念和基本原理。
2、掌握发酵工程的基本流程和关键技术。
3、了解发酵工程在食品、医药、化工等领域的应用实例。
4、培养学生的科学思维和创新能力，提高解决实际问题的能力。
二、课程内容（一）发酵工程的概念和发展历程1、发酵的定义和类型发酵是指利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身、或者直接代谢产物或次级代谢产物的过程。
根据对氧的需求，发酵可分为有氧发酵和无氧发酵。
2、发酵工程的发展历程发酵工程的发展经历了几个重要的阶段。
从传统的酿造技术到现代微生物发酵技术，从简单的发酵过程控制到复杂的基因工程改造微生物，发酵工程不断发展和完善。
（二）发酵工程的基本原理1、微生物的代谢调节微生物通过各种代谢调节机制来适应环境变化，保证自身的生存和繁殖。
了解微生物的代谢调节对于优化发酵过程至关重要。
2、发酵动力学研究微生物在发酵过程中的生长、繁殖和代谢产物生成的规律，为发酵过程的优化提供理论依据。
（三）发酵工程的基本流程1、菌种选育选择具有优良性状的微生物菌种，可通过自然选育、诱变育种、基因工程等方法获得。
2、培养基的制备根据微生物的营养需求，配制合适的培养基，为微生物的生长和代谢提供充足的营养物质。
3、发酵条件的控制包括温度、pH 值、溶氧、搅拌速度等参数的控制，以创造最适合微生物生长和代谢的环境。
4、发酵产物的分离和提纯采用各种分离和提纯技术，如过滤、离心、萃取、蒸馏等，将发酵产物从发酵液中分离出来，并进行精制和加工。
（四）发酵工程的关键技术1、无菌技术在发酵过程中，要防止杂菌的污染，确保发酵的纯种培养。
2、发酵过程的监测和控制技术通过在线监测和反馈控制系统，实时监测发酵过程中的各种参数，并及时调整控制策略，保证发酵过程的稳定和高效。
3、基因工程技术在发酵工程中的应用利用基因工程技术对微生物进行改造，使其具有更高的生产性能和新的功能。
（五）发酵工程的应用1、在食品工业中的应用（1）酿造酒类如啤酒、葡萄酒、白酒等的酿造，利用微生物的发酵作用将原料中的糖转化为酒精和各种风味物质。
科学技术概论复习资料
一、名词解释1、酶工程：酶工程主要是利用生物酶或细胞、细胞器所具有的某些特异催化化学反应的功能，通过现代工艺手段和生物反应器生产生物产品的技术。
2、发酵工程：发酵工程也称微生物工程，主要是利用微生物的某些特定功能，通过现代工程技术手段生产有用物质，或直接把微生物应用于工业化生产的一种技术。
3、细胞工程：细胞工程就是利用细胞的全能性，按人们的意愿，有计划，大规模地培养生物组织和细胞，已获得生物及产品，或使细胞的遗传组成发生改变，从而创建新的生命品种的一种新型生物技术。
与基因工程的不同在于，基因工程是在分子水平上进行操作的，而细胞工程则是在细胞水平上进行操作的。
4、基因工程：基因工程又称DNA重组技术，这项技术就是按照预先设计的蓝图，用人工方法在体外或体内把不同生物细胞中的脱氧核糖（DNA）分子进行切割、拼接与重新组合，再转移进操作的生命体，以达到改变生物性状，甚至创造新的生命类型的目的。
5、可持续发展：既满足当代人的需求又不危及后代人满足其需求能力的发展，可持续发展概念是从人与自然相互依存的角度提出的，其含义包括自然环境的改善、经济的发展和社会的进步。
6、基础科学：研究了自然物质结构，各种基本物质运动形式和运动规律的科学，如物理学生物学化学地理学天文学。
7、物理学：研究自然物质结构，以及其互相作用规律。
8、化学：研究原子和分子层次上，研究物质组成结构、性质及变化规律。
9、生物学：研究动物、植物、微生物、真菌及其生命运动形式、本质特征和规律。
10、地理学：研究地球组成结构和内在规律，地壳地幔地核、软流层的层次和大气圈、水圈、岩石圈、生物圈构成。
11、天文学：天体的组成结构、起源和变化规律的学科。
12、技术科学：研究生产技术和工艺过程中的共同性规律的科学。
13、工程科学：把基础科学和技术科学转化成工程技术和工艺流程的原则和方法。
14、系统科学：系统科学是以系统存在和发展的规律为研究对象的学科体系，从现代科学的角度看，不同科学以各自的方式拥有一个共同的研究对象，即“系统”。
新教材 发酵工程为人类提供多样的生物产品
3.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。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造成污染。
5.制作果醋时,为什么要给发酵好的果酒通入空气? 将空气通入果酒时,空气中的醋酸菌进入发酵液,在有氧条件下将乙醇氧 化成醋酸,进而制作果醋。
制作果酒、果醋的注意事项
(1)果酒发酵过程中产生的部分CO2会溶于发酵液而使发酵液的pH下降。 (2)由于果酒发酵旺盛期CO2产生量大,因此需及时排气,以防止发酵瓶爆 裂。 (3)在缺氧、呈酸性的发酵液中,酵母菌可以生长繁殖,而绝大多数其他微 生物因无法适应这一环境而受到抑制。 (4)乙醇与酸性条件下的重铬酸钾反应形成灰绿色,可对乙醇进行检测;闻 味(出现酸味)可判断是否产生醋酸。 (5)当氧气、糖源都充足时,醋酸菌将葡萄中的糖分解成醋酸;当缺少糖源 时,醋酸菌将乙醇变为乙醛,再将乙醛变为醋酸。
发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值
（1）生产条件温和； （2）原料来源丰富且价格低廉； （3）废弃物对环境的污染小和容易处理。
*在食品上的应用
①生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
②生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调 节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。 ③生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、 脂肪酶等。
2.酿制食品风味、营养物质不同的原 因有哪些？
菌种、代谢特点、种间关系
活动:体验传统发酵——利用酵母菌、醋酸菌制作果酒和果醋
结合下列流程图思考回答问题。
1.制作果酒、果醋过程中利用的微生物分别是什么?其代谢类型分别是什 么? 制作果酒:酵母菌,兼性厌氧型;制作果醋:醋酸菌,需氧型。 2.以上微生物如何产生果酒、果醋? 酵母菌在无氧条件下,通过厌氧呼吸,将葡萄糖氧化为乙醇和二氧化碳;醋 酸菌在有氧条件下,将乙醇氧化为醋酸。
高中生物2019新教材选择性必修三第一章《发酵工程》旁栏及课后练习答案
高中生物2019新教材选择性必修三第一章《发酵工程》旁栏及课后练习答案高中生物2019材选择性必修三《生物技术与工程》第一章旁栏问题及课后练答案第1章第1节传统发酵技术的应用唐代诗人XXX曾提到葡萄酒，这种美酒是人类利用微生物发酵制作而来的。
同样，葡萄醋也是以葡萄为原料发酵而来的饮品。
然而，葡萄酒和葡萄醋的制作方法不同，一个是经酵母菌无氧呼吸产生了酒精，另一个是经醋酸菌有氧呼吸产生了醋酸，因此口感不同。
你想不想自己动手制作葡萄酒和葡萄醋呢？探究•实践1为了制作泡菜，我们需要在无氧条件下进行发酵。
因此，用水密封泡菜坛的目的是给泡菜坛内创造无氧环境。
同时，泡菜坛只能装八成满的原因是，泡菜发酵初期，由蔬菜表面带入的大肠杆菌、酵母菌等较为活跃，它们可进行发酵，发酵产物中有较多的CO2.如果泡菜坛装得太满，发酵液可能会溢出坛外。
此外，泡菜坛装得太满，会使盐水不太容易完全淹没菜料，从而导致坛内菜料变质腐烂。
泡菜坛留有一定的空间，也更方便拿取泡菜。
探究•实践2在制作果酒的过程中，发酵液中会产生气泡，这是因为酵母菌发酵产生CO2.如果是用紫色葡萄制作葡萄酒，随着发酵时间的延长，由果皮进入发酵液的花青素会越来越多，因而发酵液的颜色会逐渐加深变成深红色。
果醋发酵过程中一般不会出现气泡，发酵完成时，在发酵液的液面上会出现一层菌膜，这是醋酸菌膜。
除了酵母菌，制作果酒的过程中还可能有其他微生物生长，它们会对果酒发酵产生影响。
为了避免这种影响，我们需要控制发酵条件，例如温度、酸碱度等。
的充分利用和分布均匀。
此外，大规模生产还需要考虑生产效率和成本等问题。
从技术和工程的角度来看，技术主要关注于制作方法和工艺流程的研究和改进，而工程则更注重于生产过程中的设备和工艺的设计和优化。
在果酒和果醋工业化生产中，技术和工程密不可分，需要相互配合，才能实现高效、稳定、经济的生产。
对于自己制作果酒和果醋的方法，可以通过比较工业化生产的工艺流程来发现自己存在的问题，并进行改进，以提高产品的质量和生产效率。
酶工程与发酵工程
将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。
对酶进行改造和修饰也是酶工程的一项重要内容。 酶的作用力虽然很强，尤其是被固定起来之后，力量就更大了，但并不是所有的酶制剂都适合固定化 的，即使是用于固定化的天然酶，其活性也往往不能满足人们的要求，需要改变其某些性质、提高其
发酵工程的一般过程
现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的 开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工 程”三个发展阶段。
手工加工
发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程
发
实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、
的目标。 图为胰蛋白酶和一个特异性搞体被切去而现露出蛋白制主链（蓝色）
发酵工程
发酵工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品， 或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的 配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。
酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。
发酵工程生产产品的流程： 发酵工程生产产品的流程可以用图示表示如下：
从自然界分离的菌种
诱变育种
基因工程
细胞工程
微生物菌种 产品
代谢产物
分离 提纯
生产用菌种
扩大培养 接种
原料 培养基配制
灭菌