1.3 发酵工程及其应用（情景教学课件）-【大单元教学】高二生物同步备课系列（人教版2019选择性必修3）

nullnull第3节 发酵工程及其应用 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 【情境导入】扭转二战的神药——青霉素 【情境导入】扭转二战的神药——青霉素 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。 天价 白菜价 在工业上，青霉素是怎样生产的呢？ 情境导入 3 课程标准内容要求 素养目标 1.阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。 2．举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。 1.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。 教学目标 课程标准内容、素养目标 发酵工程的基本环节 1 发酵工程的应用 2 目录 CONTENTS 目录页 5 一、发酵工程的基本环节 1.发酵工程的概念 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。 概念： 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 微生物的特定功能 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 那么发酵工程的基本环节是什么呢？ 应用发酵工程能够生成哪些产品呢？ 一、发酵工程的基本环节 任务一：发酵工程的基本环节 活动 自主阅读教材P22~23，思考讨论完成问题： 1、简述发酵工程的基本环节的具体内容。 2、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？ 3、怎样才能得到优良菌种？ 4、怎样对菌种进行扩大培养？ 5、扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？ 6、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物生长的需要？ 2.发酵工程的基本环节 一、发酵工程的基本环节 扩大培养 灭菌 接种 发酵罐内发酵 获得产品 选育菌种 配制培养基 分离、 提纯产物 （1）选育菌种 选育目的： 获得__________________ 性状优良的菌种 菌种来源： ①自然界中筛选； ②诱变育种； ③基因工程育种 一、发酵工程的基本环节 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。 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 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1：产柠檬酸量高的黑曲霉 实例2：基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程，缩短生产周期 （1）选育菌种 一、发酵工程的基本环节 ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖； ②生产所需代谢物的产量高； ③发酵条件易控制； ④菌种不易变异，退化等。 【思考· 讨论】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？ （2）扩大培养 目的： 获得_____________，确保有充足的菌体参与发酵。 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）。 一、发酵工程的基本环节 扩大培养的培养基物理性质： 一般为液体培养基 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 对菌种进行扩大培养的最佳时期？ 发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米 液体使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。 配置培养基要遵循的原则： ①即营养物质满足微生物的需要，营养物质的浓度及配比恰当，物理、化学条件适宜等。 ②配置的培养基应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求。 ③配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用（即不断优化培养基）。 （3）培养基的配制 一、发酵工程的基本环节 （4）灭菌 一、发酵工程的基本环节 灭菌原因： 灭菌目的： 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。杂菌与菌种之间形成的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。 避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量。 注意：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 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。 实例： （5）接种 将 的菌种投放到 中。 发酵罐 扩大培养后 （无菌条件下接种） 严格控制发酵条件 （6）发酵罐内发酵 一、发酵工程的基本环节 ☆发酵工程的中心环节 ①随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，了解发酵进程。 ②要及时添加必需的营养成分， ③要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件； ①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成； 为什么要严格控制发酵条件？ ②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。 实例：谷氨酸在中性和弱碱性条件下发酵会积累谷氨酸；在酸性条件下发酵则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。 （6）发酵罐内发酵 一、发酵工程的基本环节 ☆发酵工程的中心环节 装置编号 主要用途 ①②③ ④ ⑤⑥⑦⑧⑨ ⑩⑪ ⑫ ⑬⑭ 控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养 控制溶解氧含量 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。 发酵条件及相应的调节和控制方法 （6）发酵罐内发酵 一、发酵工程的基本环节 ☆发酵工程的中心环节 发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等： ③需氧型：通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。 厌氧型：需封闭空气入口，建立厌氧环境等。 ①温度：通过向冷却夹层通入冷水来调控； ②pH：在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱； PH变化主要原因： 培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。 温度升高原因:微生物分解有机物释放的能量；机械搅拌也会产生一部分热量。 （7）分离、提纯产物 一、发酵工程的基本环节 发酵产物类型 获得产品的方法 微生物细胞 代谢物 过滤、沉淀等方法 适当的提取、分离和纯化措施 分离、提纯产物的方法措施 为了减少或避免污染物的产生和排放，二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。 发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理? 【思考· 讨论】 1、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 一、发酵工程的基本环节 ①反复试验确定培养基的配方； ②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌； ③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等； ④及时添加必需的营养组分； ⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制 【思考· 讨论】 2、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？ 一、发酵工程的基本环节 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、过滤等方法来分离提纯产物。 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、吸附或离子交换等方法；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。 发酵工程的基本环节 1 发酵工程的应用 2 目录 CONTENTS 二、发酵工程的应用 ①生产条件温和； ②原料来源丰富且价格低廉； ③产物专一； ④废弃物对环境的污染小和容易处理。 发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。 发酵工程的优点 发酵工程的应用 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 第一，生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。 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 二、发酵工程的应用 思考讨论 啤酒的工业化生产流程 阅读课本P24~25页的【思考·讨论】“啤酒的工业化生产流程”，明确啤酒的工业化生产流程，完成讨论问题。 二、发酵工程的应用 思考讨论 啤酒的工业化生产流程 阅读课本P24~25页的【思考·讨论】“啤酒的工业化生产流程”，明确啤酒的工业化生产流程，完成讨论问题。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 消毒 终止 后发酵 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。 主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下 储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。 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。 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2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？ 讨论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。 二、发酵工程的应用 思考讨论 啤酒的工业化生产流程 二、发酵工程的应用 思考讨论 啤酒的工业化生产流程 讨论4.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？ 类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒 原料 是否添加食品添加剂 麦芽汁浓度 发酵时间 特点 只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水 麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等 不添加 添加 较高，口味浓郁 较低，口味清淡 长，可达2个月 短，通常7天左右 产量低、价格高 产量高、价格低 应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 第二，生产各种各样的食品添加剂。 实例①：利用黑曲霉发酵生产柠檬酸。 实例②：利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。 黑曲霉 柠檬酸 淀粉 淀粉酶 葡萄糖 柠檬酸合成酶 谷氨酸棒状杆菌 谷氨酸 味精 处理 发酵 氧气 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 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 第二，生产各种各样的食品添加剂。 优点：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。 二、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 第三，生产酶制剂。 常见酶制剂 α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 酶制剂应用 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。 酶制剂来源 少数由动植物生产； 绝大多数通过发酵工程生产。 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 转入 微生物 直接改造微生物 病原体的抗原基因 转入 微生物 发酵工程 药物 药物 疫苗 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 第一、生产微生物肥料 ①微生物肥料的种类 根瘤菌肥、固氮菌肥 ②微生物肥料的作用 微生物肥料利用了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； 有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 第二、生产微生物农药 ①微生物农药的作用 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 ②防治类型 属于生物防治 ③实例 微生物或代谢产物 防治病虫害种类 苏云金杆菌 80多种农林害虫 白僵菌 玉米螟、松毛虫 一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素） 水稻枯纹病 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 第三、生产微生物饲料 ①原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快。 ②实例1——单细胞蛋白 许多国家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微生物菌体，即单细胞蛋白。 单细胞蛋白应用——食品添加剂、微生物饲料。 ③实例2-乳酸菌 在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。 二、发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 第一、解决资源短缺与环境污染问题 随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。 第二、将极端微生物应用于生产实践 自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（如高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。 例如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 课堂总结 食品工业 医药工业 生产传统发酵食品 农牧业 其他方面 生产食品添加剂 发酵工程应用 生产酶制剂 采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物 直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 解决资源短缺与环境污染问题 将极端微生物应用于生产实践 随堂检测 1．随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立以及密封式发酵罐的成功设计，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品，发酵工程正在也将持续影响着人们的生活和生产实践。下列有关发酵工程的说法正确的是（    ） A．在发酵罐中接种菌种量越高，其K值越大 B．为了防止杂菌污染，发酵工程的中心环节是灭菌 C．发酵工程中，发酵结束后可采用过滤、沉淀等方法将菌体干燥，并将菌体破碎后提取单细胞蛋白 D．啤酒发酵过程中大部分糖的分解和代谢物的生成在主发酵阶段完成 D 随堂检测 2.下图为啤酒生产过程的简要流程。下列叙述错误的是（    ） A．过程①需要适宜的温度、水等条件以便于产生淀粉酶 B．过程②焙烤是利用高温杀死种子胚但不使淀粉酶失活 C．过程③糖化是将淀粉分解形成糖浆以利于酵母菌利用 D．过程④的发酵阶段要始终保持无氧环境以保障发酵效果 D 随堂检测 3．发酵工程的基本流程如下图，其中①~④代表不同的过程。下列叙述错误的是（    ） A．①过程中菌种选育的方法有转基因技术、人工诱变、细胞融合等 B．②过程中菌种在扩大培养前通常需先进行活化 C．③过程中发酵罐和配制好的培养基不需要严格灭菌处理 D．④过程中可通过沉淀、过滤、离心等方法分离出微生物菌体 C 随堂检测 4．我国是名副其实的发酵大国，发酵工程在食品工业、医院工业及农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列相关叙述错误的是（　　） A．发酵产品既可以是微生物的代谢产物，也可以是微生物细胞本身 B．利用发酵工程生产的微生物农药，作为化学防治的重要手段，可用于防治病虫害 C．将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵可生产乙型肝炎疫苗 D．啤酒的工业化生产过程中，酒精的产生积累主要在主发酵阶段完成 B 感谢聆听！ 高中生物学 | 人教版（2019）| 选择性必修3·生物技术与工程 40 Lavf58.46.101 Lavf58.20.100 Lavf58.46.101 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$null