1.3 发酵工程及其运用（第一课时）-【精讲课堂】2024-2025学年高二生物同步教学实用课件（人教版2019选择必修3）

第3节：发酵工程及其应用 （第一课时） 以信息技术为支撑；以现代教育教学理论为指导；强调新型教学模式的构建；教学内容具有更强的时代性和丰富性；教学更适合学生的学习需要和特点。信息化教学不仅仅是在传统教学的基础上对教学媒体 和手段的改变,而且是以现代信息技术为基础的整体的教学体系的一系列的改革和变化。 授课人：大道至简 微信：a533722113333 第一章 发酵工程 1 核心素养 1.科学思维：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.科学探究：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。 2．社会责任：认可发酵工程在生产上的重要应用价值。 2 从社会中来 青霉素是世界上第一个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。 在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢? 一代神药——青霉素 通过发酵工程生产 一、发酵工程的形成 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。 微生物纯培养技术的建立 密闭式发酵罐的设计成功 人们对发酵原理的认识 发酵工程形成 选育菌种 菌种来源：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。 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 生产微生物直接合成的产物 生产微生物不能合成的产品 如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学的方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。 用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品目的。 二、发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 自然筛选优点：经济实惠。 缺点：自发突变频率低，出现优良性状可能性小，需要时间长。 诱变育种或基因工程育种优点：育种时间短、提高发酵 产物纯度、减少副产物。 缺点：技术要求高 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 菌种选育的重要性（意义）：优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。 实例：筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸； 使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期。 二、发酵工程的基本环节 我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。 某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？ 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 目的:获得更多的菌种 原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大（数目多）。 扩大培养的培养基：一般为液体培养基。 方法： 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。 发酵工程一般使用液体培养基 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌。 杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。 在青霉素生产过程中混入杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。 灭菌目的：避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量 *培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌； 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 将____________的菌种投放到________中 发酵罐 扩大培养后 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 发酵工程的中心环节 监控要点一 监控要点二 监控要点三 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物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物 严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件 实例：谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 二、发酵工程的基本环节 装置 编号 主要用途 A1-A3 A4 B1-B5 C1、C2 C3 D1、D2 发酵罐示意图及功能介绍 电动机D1 排气管C3 pH计B3 冷却水排出口C2 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮D2 生物传感器装置B4 空气入口A4 放料管A2 A3阀门 A1培养物或营养物质的加入口 B1观察孔 B2取样管 B5温度传感器和控制装置 C1冷却水进入口 控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养 控制溶解氧 通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测 通过控制冷水流速调节罐温 调节罐压 电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 计算机控制系统 监测 控制 温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等 微生物数量、产物浓度 检测 及时添加必需的营养组分 使发酵过程处于最佳状态 微生物的生长繁殖和代谢物的形成 影响 现代发酵工程使用的发酵罐的优点： 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 二、发酵工程的基本环节 菌体本身 代谢产物 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。 采用过滤、沉淀等方式将菌体分离和干燥，即可得到产品。 二、发酵工程的基本环节 环节 目的 菌种选育 扩大培养 培养基的配制 灭菌 产品的分离、提纯 性状优良菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。 工业发酵罐体积大，接种菌种总体积大。发酵前需对菌种扩大培养。 选原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。 发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌 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。 发酵工程的中心环节，发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产品浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、PH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅影响微生物生长繁殖，还影响微生物代谢物的形成。 如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束后，采用过滤、沉淀方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可据产物性质采取适当提取、分离纯化措施来获得产品。 接种 发酵罐发酵 二、发酵工程的基本环节 P22旁栏思考：某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？ P23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？优良菌种有哪些来源？ ——菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。 考虑因素： 菌种三个来源：从自然界中获取、诱变育种、基因工程育种 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。 二、发酵工程的基本环节 引起发酵罐内培养液的温度和pH变化的原因有哪些？ 发酵工程中如何调节温度和pH? 温度：原因：微生物分解有机物释放的能量，机械搅拌也会引起温度升高。 方法：常用冷却水进行温度的调节 pH：原因：培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。 方法：是在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱 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？ 传统发酵技术获得的产物一般是成分复杂的混合物，一般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。 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。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，进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 原理 所用生物 过程 实质 产物 发酵原理和工程学原理 常规菌种、通过诱变育种或基因工程获得的菌种等 通过微生物的大量繁殖获得所需产品 代谢物或微生物细胞本身 课堂小结 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 练习： 2.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是 A.菌种选育是发酵工程的中心环节 B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行 C.在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢产物的形成 D.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但是不影响微生物的代谢途径 练习： 3.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究。下列叙述正确的是 A.为加快发酵速度，应使发酵液保持35 ℃的恒温 B.给发酵罐适时排气，后期可缩短排气间隔时间 C.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定 　何时终止发酵 D.若定期对培养液中酵母菌进行计数，只能采用 　稀释涂布平板法 练习： Lavf57.25.100 $$