1.3 发酵工程及其应用（教学课件）-【上好课】高二生物同步高效课堂（人教版2019选择性必修3）

第3节 发酵工程及其应用 【本节聚焦】 1.什么是发酵工程？ 2.发酵工程的一般流程是什么？ 3.发酵工程在生产上有哪些重要的价值？ 第一章 发酵工程 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 1 问题探讨 青霉素 是世界上第一个应用于临床的抗生素。 思考:你知道青霉素的历史吗？ 2 问题探讨 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。 早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到 如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂 思考:那么，在工业上青霉素究竟是怎样生产的呢？ 3 问题探讨 对发酵原理的认识 利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术， 生产对人类有用的物质的技术体系。 ——发酵工程 微生物的特定功能 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) 现代化工程技术 发酵工程 发酵工程基本环节是什么？ 4 一、发酵工程的基本环节 合作探究一：请同学们自主阅读教材P22-23，小组合作思考讨论完成问题。 1.什么是发酵工程？ 2.发酵工程的一般流程是什么？ 3.发酵工程能生产哪些产品呢？ 5 一、发酵工程的基本环节 1.基本环节 选育菌种 扩大培养 接种 灭菌 配制培养基 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 6 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 （1）目的： 获得__________________ 性状优良的菌种 （2）菌种来源： （3）实例： ——菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。 产柠檬酸量高的黑曲霉 基因工程改造的啤酒酵母 ①自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 7 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 （1）目的： （2）原因： （3）培养基类型： 获得_______________ 更多的菌种 工业发酵要想在短时间内得到大量的发酵产物，则需要大量菌体，因此需要进行扩大培养。 发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米。 液体培养基 8 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 ①根据菌种的代谢特点，选择不同的材料配制培养基。 ②配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 优化培养基设计（成分、比例等） 9 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 目的： 防止杂菌污染，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。 例如：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。 避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量. 10 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 将 的菌种投放到 中。 发酵罐 扩大培养后 11 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 发酵工程的中心环节 （1）了解发酵进程： 随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。 （2）严格控制发酵条件： 及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 12 一、发酵工程的基本环节 谷氨酸发酵 （3）不同发酵条件的影响实例： ①在_____和 条件下会积累谷氨酸； ②在_____条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺； 中性 弱碱性 酸性 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 发酵工程的中心环节 谷氨酸棒状杆菌 13 一、发酵工程的基本环节 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器及控制装置 冷却水进入口 阀门 空气入口 放料管 生物传感器装置 搅拌叶轮 发酵液 冷却夹层 冷却水排出口 pH计 排气管 电动机 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。 (4)发酵条件及相应的调节和控制方法： 14 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 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，即可得到产品。 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。 15 一、发酵工程的基本环节 1 3 2 4 5 6 7 选育菌种 8 接种 发酵罐内发酵 分离、提纯产物 获得产品 扩大培养 配制培养基 灭菌 1.基本环节 16 一、发酵工程的基本环节 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.生产需要(微生物繁殖速度快、代谢产物的产量高等)； 2.菌种不易变异、退化等； 3.发酵条件易控制； 4.考虑气候条件、发酵装置等。 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？ 不能。可能污染环境。要二次清洁或灭菌处理。 17 1.发酵工程的正确操作过程是 ①发酵　②培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　 ⑤菌种的选育　⑥接种　⑦扩大培养 A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④ C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③① 课堂练习 √ 18 2.下列对发酵工程内容的叙述，错误的是（ ） A．发酵工程的中心环节是在发酵罐内的发酵 B．发酵过程使用的菌种可以从自然界存在的微生物中直接筛选 C．发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标 D．通过对微生物细胞产物进行提取、分离和纯化等措施可获得单细胞蛋白 课堂练习 过滤、沉淀等方法 √ 19 二、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 发酵工程的特点 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 在农牧业上的应用 在其他方面的应用 发酵工程的应用 20 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统发酵产品 酱油 大豆(主要原料) 黑曲霉 (蛋白酶) 小分子肽和氨基酸 淋洗、调制 酱油的生产 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 各种酒类的生产 21 二、发酵工程的应用 合作探究二：观看视频，阅读教材P24-25，写出啤酒的工业化生产流程。 22 二、发酵工程的应用 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 主发酵 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。 后发酵 在低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。 部分过程强调： ⑴焙烤的目的：_______________________ ____； ⑵蒸煮的目的：_____ ___________________________________。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统发酵产品 23 二、发酵工程的应用 【思考·讨论】 讨论1：酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ “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。 讨论2：发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，这是发生了什么变化吗？ 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 讨论3：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？ 24 二、发酵工程的应用 25 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （2）生产各种各样的食品添加剂 增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期 食品添加剂的作用： 实例1——柠檬酸 实例2——味精 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； 添加剂类型 举例 酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 增味剂 5'-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 防腐剂 乳酸链球菌素、溶菌酶 实例 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； 26 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （3）生产酶制剂 酶制剂： 从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。 分 类： 胞内酶和胞外酶 作 用： 易于工业化生产，便于改善工艺、提高质量。 举 例： 果胶酶；脂肪酶；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基酸肽酶 27 二、发酵工程的应用 2.在医药工业上的应用 基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 动植物的基因 微生物 直接改造微生物 转入 微生物 病原体的 抗原基因 转入 发酵 工程 药物 药物 疫苗 各种抗生素 多种氨基酸 多种激素 多种免疫调节剂 28 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 (1)生产微生物肥料 微生物肥料的原理 利用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、增强植物抗病性和抗逆性。 利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的的发生。 常见微生物肥料： 根瘤菌肥、固氮菌肥 29 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 （2）生产微生物农药 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 常见微生物农药： 苏云金杆菌(Bt毒蛋白): 防治80多种农林害虫 白僵菌(真菌): 防治玉米螟、松毛虫 放线菌 (井冈霉素): 防治水稻枯纹病 防治类型属于什么防治？ 生物防治 思考 30 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 蛋白质 微生物菌体 微生物含有丰富的________________。 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______________，即单细胞蛋白，用其制成的微生物饲料，使家畜、家禽增重快，产奶/产蛋量显著提高。 （3）生产微生物饲料 31 二、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。 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.对极端微生物(生活在高温、高压、高盐和低温环境) 的 利用 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂 4.在其他方面的应用 32 二、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、_________和________等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 健康 能源 粮食 环境 能源 健康 我国是名副其实的发酵大国。 33 1.发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是 A.黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种 B.啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品 C.用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题 D.用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗 课堂练习 病毒不能独立在液体培养基中生活 √ 34 二、发酵工程的应用 √ 2.下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述，错误的是 A.生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油 B.生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的 　营养 C.生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得 D.生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产 食品添加剂可以增加食品营养，改善食品口味、色泽和品质。 35 课堂小结 发酵工程 发酵工程的基本环节 发酵工程的应用 选育菌种→扩大培养→配制培养基→灭菌→接种→发酵罐内发酵→分离、提纯产物 食品工业上的应用 医药工业上的应用 农牧业上的应用 其他方面的应用 发酵工程的特点 36 练习与应用 1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。 (1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵（ ） (2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ ） (3)在发酵工程的发酵环节中,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。（ ） (4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ） × √ √ × 一、概念检测 37 练习与应用 1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。 (1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力) 可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。 (2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？ 可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 二、拓展应用 38 练习与应用 2.通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。 存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。 39 感谢您的观看！ 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 40 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.31 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$