《生物技术概论》3发酵工程
发酵工程及其应用课件-高二下学期生物人教版选择性必修3
现代发酵工程的大型发酵罐有计算机控制系统，能对温度、 PH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养进行监测和控 制。还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
1.发酵工程的基本环节
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菌种的选育 扩大培养 培养基的配制 灭菌
发酵过程的影响因素：
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接种
发酵 产品的分离 提纯
（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。
（2）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。
（5）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。
微生物分解有机物释放的能量，一部分用于合成ATP，另一 1.温度： 部分散发到培养基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产
生一部分热量引起温度升高。此外，发酵罐壁散热，水分蒸发会
带走部分热量，使发酵温度降低。
通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整，用
冷却水进行温度的调节
好氧型微生物：溶解氧要充足；
2.发酵工程的应用
(一) 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下图所示。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
1.发酵工程的基本环节
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【高中生物】2023届高三生物一轮复习课件：传统发酵技术的应用和发酵工程及应用
考查发酵与传统发酵技术的概念
1．关于发酵的叙述，不正确的是 ( A )A．发酵就是无氧呼吸
B．发酵是将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程 C．酒精发酵是由活的酵母菌引起的D．利用微生物能够生产出人们 所需多种产物的原因是不同的微生物具有产生不同代谢物的能力
2．下列有关传统发酵技术的叙述，不正确的是 ( D )A．传统发酵以混合菌种的固
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考点1 考点2 考点3 真题体验·感悟高考 课时分层作业
《新坐标》P286
1．从开始制作到泡菜质量最佳这段时间内，泡菜液逐渐变酸，这 段时间内泡菜坛中乳酸菌和其他杂菌的消长规律是__________，原因是 ________提__示__：__乳___酸__菌__数__量___增__加__，__杂___菌__数__量__减___少_______
滋生、泡菜变质。
第1讲 传统发酵技术的应用和发酵工程及应用
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考点1 考点2 考点3 真题体验·感悟高考 课时分层作业
《新坐标》P286
× 1．腐乳的制作仅是毛霉参与了豆腐的发酵。 ( )2．传统发酵以混合
菌种的固体发酵及半固体发酵为主。 ( )3．制作传统泡√菜是利用植
物体表面天然的乳酸菌来进行发酵的。( )4．制作泡菜时泡菜坛一√般只
_______________________________________________。(2)泡菜发酵初期，由于泡菜罐加
盖并水封，会使__________菌被逐渐抑制。发酵中期好，氧乳酸菌大量繁殖，会使
________菌受到抑制。发酵后不期耐，酸乳的酸生产过多，会使乳酸菌受到抑制。
(3)从泡菜汁中可分离制作酸奶的乳酸菌，首先对经多次发酵的泡菜汁进行过滤，然 后取滤液进行_稀__释_____，再用_涂__布___分__离的方法在某种含牛乳的专用的培养基中进行初 步筛选。该培养基必须含有_酸__碱__指___示，剂以便于观察是否产酸。
《发酵工程》课程教学大纲
《发酵工程》课程教学大纲课程名称：发酵工程课程类别：专业选修课适用专业：食品科学与工程考核方式：考察总学时、学分： 32 学时、2 学分一、课程教学目的发酵工程是整个生物技术的核心，是工业微生物实现试验室与工厂化生产的具体操作，是生物技术在生产实践中应用的原理及方法的一局部，是基因工程及酶工程等生物技术工业化的过程与方法。
因此，通过对《发酵工程》的学习，不仅把握发酵工程原理及发酵优化把握过程，而且对系统了解生物技术及其工业化应用都具有深远的意义。
另外，通过《发酵工程》试验及发酵工程各论的了解，不仅能够把握发酵工艺操作从小试到放大的具体过程及反响过程把握方法，而且进一步了解了目前发酵行业的具体产品生产工艺，从理论到方法学会发酵工程这一门技术，对发酵生产能够进展指导与分析。
二、课程教学要求通过本课程的教学，应使学生把握发酵工程学的根本学问和根本技能，了解现代生物工程技术的进展与应用状况，具备确定的微生物生产工程技能。
通过本课程的学习，使学生深刻理解发酵工程的微生物学原理，结实把握发酵工业菌种的筛选、驯化、培育与保藏，好氧、厌氧发酵工艺的调控与治理，了解发酵产品提取与精制的原理、流程及常见发酵产品的生产过程。
三、先修课程食品微生物学、生物化学。
四、课程教学重、难点重点：发酵工程的概念、特点；工业微生物菌种的退化、复壮与保藏；工业上常用作碳源、氮源的原料；淀粉水解糖的制备方法；微生物对培育基中的碳源代谢；酒精发酵机制；好氧发酵罐构造和功能；温度、 pH 和泡沫对发酵过程的影响；不同时间及染菌程度对发酵的影响；种子、空气、培育基和设备染菌及防治；细胞裂开方法及裂开率的测定；盐析法分别发酵产物。
难点：影响种子培育的因素和种子质量的把握；发酵生产的前体物质和促进剂、抑制剂有机酸发酵机制；染菌的检查推断及缘由分析；离子交换法原理和离子交换树指的构造与分类，膜和膜分别的根本理论。
五、课程教学方法与教学手段多媒体教学,课堂讲授与实践相结合。
发酵工程
提高产物纯度——副代谢产物少。
改变菌种的性状以改善发酵过程——生长速度， 耐不良培养条件，胞外产物。 改变生物合成途径以获得新产品。
第三节 种子扩大培养
一、优良种子应具备的条件 1、菌种细胞的生长活力强， 转种至发酵罐后能迅速生长， 延迟期短。
2、菌种生理状态稳定，如菌 丝形态、菌丝生长速率和种子 培养液的特性等符合要求
染 菌 原 因
（一）工业发酵的类型
分批发酵 按发酵工艺流程 补料分批发酵
单级恒化器连续发酵
连续发酵
多级恒化器连续发酵
带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵
单菌种发酵
按菌的种类 多菌种混合发酵（混合菌发酵）
（二）发酵工业的典型过程－－深层发酵过程
一、常用的发酵工程微生物菌种
微生物在发酵工程上的用途：
直接利用微生物菌体 利用其代谢产物 利用它的酶
几种深层培养法
①放大法 ②两步法 ③控制培养法 ④分批发酵法(间歇发酵法) ⑤连续培养法 ⑥补料分批培养法(流加法)
三、影响种子质量的主要因素
菌种扩大培养的关键就是搞好种子罐的扩 大培养。 影响种子罐培养的主要因素包括营养条件、 培养条件、染菌的控制、种子的级数和接 种量控制等 。
3）酸酶水解法（acid-enzyme hydrolysis method)：
（2）酶酸法：先用-淀粉酶液化，再用酸水解。
适用：颗粒大小不一（如碎米淀粉）的淀粉原料，若用 酸法，则水解不均匀。 优点：能采用粗原料淀粉，减少原料损失，一般可提高 原料利用率15%左右；生产较易控制，可采用较高的淀 减少了淀粉水解副反应的发生，糖液色泽较浅，质量较
发酵工程
发酵工程技术的发展趋势1.利用基因工程等先进技术，人工选育和改良菌种，实现发酵产品产量和质量的提升2.采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人的前景3.随着酶工程的发展，固定化（酶和细胞）技术被广泛应用4.不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，计算机自动控制成为发酵生产控制的主要手段5.发酵法产生单细胞蛋白，将是产量最大、最具广阔前景的产业，寄希望于解决人类未来的粮食问题6.应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸、核苷酸7.将生物技术更广泛地用于环境工程发酵工程的：是发酵原理与工程学的结合，是研究由生物细胞（包括微生物、动植物细胞）参与的工艺过程的原理和科学，是研究利用生物材料生产有用物质，服务于人类的一门综合性科学技术。
初级代谢产物：是指微生物产生的，生长和繁殖所必需的物质。
如蛋白质，核酸等。
次级代谢产物：是指微生物产生的，与微生物生长和繁殖无关的一类物质。
其生物合成至少有一部分是和与初级代谢产物无关的遗传物质（包括核内和核外的遗传物质）有关，同时也与这类遗传信息产生的酶所控制的代谢途径有关。
抗生素是从糖代谢或氨基酸合成代谢途径中分支出来形成的。
许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的。
生物催化剂：指传统发酵所利用的微生物外，还包括现在生物技术所利用的动植物细胞或细胞中的酶。
前体：有些化合物被加入培养基后，能够直接在生物合成过程中结合到产物分子中去，而自身的结构并未发生太大变化，却能提高产物的产量，这类小分子物质被称为前体。
酵母菌：酵母菌是单细胞真核生物，常以出芽方式进行无性繁殖。
并非系统演化分类的单元。
恒化式富集培养（连续培养）：通过改变限制性基质的浓度，可以控制两类不同菌株的比生长速率。
可以通过控制基质浓度在某一范围内使目的菌生长占优势。
又根据微生物对环境因子的耐受范围具有可塑性的特点，通过连续改变限制性基质的浓度富集培养所需要的菌种。
食品生物技术概论廖威第四章发酵工程及其在食品工业
。
本世纪50年代以后，乍得把螺旋藻制成食品其商品 名为“Dihe”；
1964年，比利时植物学家Jean Lenoard从食用螺旋 藻和出售的“Dihe”中，分离出螺旋藻，在实验室进 行培养试验， 1967年3月首次发表了实验结果，为螺 旋藻的人工养殖开创了先例
螺旋藻的形态
螺旋藻的形态、分类及生态
螺旋藻有两种类型： 钝顶螺旋藻：主要特征是藻丝末端细胞钝圆，
藻丝宽约6~8µm，螺旋直径为28~36µ m ，螺距 约为43-57µm；
极大螺旋藻：其特征为藻丝末端细胞略粗，藻 丝约为3.4~15µm，螺旋直径约为40-67µm，螺距 为33~76µm。
螺旋藻的生态 螺旋藻可以在土壤、沼泽、淡水、盐水、
矿物质
lOOg螺旋藻干粉中含钾高达1 500-2000mg，含 镁200 ~ 300mg，含铁50-100mg，而钠的含量甚 微。钾能促进人体内钠的排泄，可预防高血压； 镁具有保护人体循环器官、预防心脏病等功能； 铁具有造血功能。另外，螺旋藻还含有微量元 素硒、锌、锰等
螺旋藻的营养类型
1、光合自养型：
1、烷烃类和石油化工产品 如甲烷、甲醇、乙醇、石蜡烃等。 2、各种有机废料和一些糖类物质 有机废料：如食品厂、酿造厂、造纸厂等废弃物 以及农作物秸杆等。 糖类物质：如糖蜜、淀粉类物质等。
(2) SCP的发酵生产工艺
一般SCP生产的概略流程图
(3) SCP的分离和纯化
SCP的发酵产品为菌体本身，分离工艺较 简单，过滤得到的菌体再用冷水洗涤，再过滤 得到酵母浓缩物，以30℃的热风干燥，并制成 块状或粒状。
(2)温度：螺旋藻的最适生长温度为35 ~ 37℃。 (3)氮源：螺旋藻除能利用无机氮外，还能利 用尿素。 (4)光照：当营养和温度正常的情况下，光照 就成为影响螺旋藻生长的一个重要因素。
第3节 发酵工程及其应用
过滤和杀菌等步骤，和精酿啤酒相反的是，发酵完成以后还会进行必要
的过滤和杀菌，增加啤酒的保鲜时间，安全性更好。
三、发酵工程的应用
（阅读：p24—27，完成表格）
具体应用
生产传统的发酵产品
在食品工业上的
应用
生产各种各样的食品添加剂
在医药工业上的 应用
（5）某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主 发酵过程的研究，下列叙述错误的是( B )
A．夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理 B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的
进气量不宜太大 C．正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气
压 D．可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来
决分析定：何果时酒终发止酵发的适酵宜温度为18～25 ℃，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行
思考与讨论
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？ 提示：①原料方面：广，转化率高；②产物方面：目的产物含量高， 副产物少；③菌体方面：菌体生长快，繁殖力强，耐受力强，抗污染、 抗噬菌体能力强，遗传特征稳定；④设备方面：产泡沐少，适宜大罐 生产；生产周期短，需氧量少，抗污染能力强。
6．发酵罐内发酵： 在发酵过程中，要随时检测培养液中的_微__生__物___数__量__、产物浓度等， 以了解发酵进程。还要及时添加必需的____营__养__组___分_____，要严格控制 ___温___度____、____p__H____和溶解氧等发酵条件。
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。
发酵工程概论
二、发酵工程概况
发酵工程的发展的四个阶段 1、第一阶段 发酵理论的建立——巴斯德
2、第二个里程碑 以微生物的纯种培养技术为主要特征 ——丙 酮丁醇的制造
物。
菌种的筛选：
自然选育 诱变育种 基因工程育种
2、种子的扩大培养
种子扩大培养：是指将保藏菌种接入试 管斜面活化后，再经摇瓶到种子罐逐级 培养而获得的一定数量和质量被称为发 酵种子的纯种微生物的过程。
种子的扩大培养
（1） 菌丝进罐培养
（2） 孢子进罐培养3 Fra bibliotek生物的发酵过程
三、国外发酵工业的发展趋势
1，生物转化（或生物合成）技术成为国外著名化学 公司争夺的热点，并逐步从医药领域逐渐向化工领 域转移
2，生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一
3，利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环 境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要 趋势。
4，传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或 改良。许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、 青霉素等都已开始采用基因工程手段进行 改造，大大地提高了产量。在以基因工程 为主导的现代生物技术产品中，医药生物 技术产品占75％左右。
3、第三个阶段 以深层发酵青霉素为主要特征
4、第四个阶段 以引入基因工程，达到微生物定向育
种为主要特征。
三、发酵工程的内容和生产流程
现代发酵工程的主要内容包括：
工业生产菌株的选育 发酵条件的优化与控制 生物反应器的设计 发酵产物的分离、提取和精制
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。
1-3 发酵工程及其应用(教学课件)——高中生物人教版(2019) 选择性必修3
A.发酵工程生产条件温和、原料来源广泛、产物混杂 B.发酵工程中，黑曲霉可用来制作酱油和柠檬酸 C.酶制剂可以通过动植物产生，也可通过发酵工程产生 D.发酵工程可将一些极端微生物用于生产实践
酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
3.与传统的手工发酵相比，在上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。
练习
【例1】下列关于发酵工程的叙述，错误的是（ C ）
A.发酵技术需要运用微生物的纯培养技术 B.发酵工程使用的培养基和发酵设备都需要严格灭菌 C.发酵工程的中心环节是菌种的选育 D.发酵产品可能是微生物细胞本身或代谢物
别
产品处理
分离和提纯产物的方法较多。最后 需要进行质量检查
不是无菌操作，容易受到杂菌污染 ，对发酵条件不能严格控制，易受 外界条件影响
不会再对产物进行分离和提纯处理 ，或仅采用简单沉淀、过滤等方法 来分离和提纯产物。
生产规模 和产品
生产规模大，实现了工业化生产。 原料来源丰富，成本低，产物多样 ，产量高
降。度因、此p，H培、养溶基在解和氧生发、产酵罐实设冷压践却、夹中层 ，
分离、提温 控度 制传 装备感 置器都和通养必气等须量进经行、过严监搅格测拌培要的和、养经灭控泡基过菌制沫的反。搅生；和发拌物复配酵叶传营还液试方轮感器装置
纯产物 冷 入却 口在水进青可霉以素进生行产反过馈验程控才中能制如确，果定有使。发
食品
食品添加剂 酶制剂
柠檬酸（黑曲霉）、谷氨酸（谷氨酸棒状杆菌） 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等
医药
生长激素释放抑制激素、青霉素、乙型肝炎疫苗