1.3 发酵工程及其应用-【堂堂清】2024-2025学年高二生物下学期同步精品课件（2019人教版选择性必修3）

1.3 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？ 情境导入 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，一瓶规格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？ 思考 通过发酵工程生产。 科学家们应用选择培养基解决了这一难题。 发酵工程的概念 01 发酵工程 是指利用 ， 规模化生产人类所需产品的综合性生物工程。 对发酵原理的认识 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) 微生物的特定功能 发酵工程基本环节有哪些？ 思考 发酵工程的基本环节 02 尿素分子模型 接种 发酵罐内发酵 获得产品 图1-9 发酵工程的基本环节和发酵罐示意图 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 发酵工程 的中心环节 分离提纯产物 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中 发酵工程的基本环节 02 性状优良的菌种 诱变育种 从自然界中筛选 基因工程育种 1.目的：获得 ； 2.菌种来源：① ；② ；③ ； 生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的 。 生产啤酒需要使用基因工程改造的 ,可以加速发酵过程，缩短生产周期; 黑曲霉 啤酒酵母 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 获得产品 提示：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 。 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。 发酵工程的基本环节 02 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? 思考 发酵工程选育菌种 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 获得产品 发酵工程的基本环节 02 液体培养基。 快速增加菌种的数量 1.目的： 。 2.原因：工业的发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米， 接入的菌种总体积需要 。 扩大培养的培养基类型？ 思考 几立方米到几十立方米 注：液体培养基常用于工业生产。 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 获得产品 发酵工程的基本环节 02 选择原料 反复试验 配制培养基应该注意什么？ 思考 提示：需要根据菌种的 ， 选择不同的材料配制培养基。 注：先确定菌种，再配制培养基。 代谢特点 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 获得产品 1.要求：①菌种确定之后，要 制备培养基。 ②在生产实践中，培养基的配方要经过 才能确定。 发酵工程的基本环节 02 1.原因：发酵工程中所用的菌种大多是 菌种。 一旦有杂菌污染，可能导致 。 2.灭菌对象： 。 在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌 酶，将青霉素分解掉。 单一 产量大大下降 培养基和发酵设备 青霉素 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 获得产品 发酵工程的基本环节 02 1.要求：①发酵过程中，要随时检测培养液中的 、 等, 以了解发酵进程。 ②要及时添加必需的 ， 要严格控制发酵 等发酵条件。 微生物数量 产物浓度 营养成分 温度、pH、溶解氧 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 获得产品 中心环节 为什么要严格控制发酵条件？ 思考 提示：环境条件不仅会影响微生物的 ， 而且影响微生物 ； 生长繁殖 代谢物的形成 发酵工程的基本环节 02 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 获得产品 中心环节 谷氨酸棒状杆菌(异养需氧型) 谷氨酸发酵： ①在 和 条件下, 会积累谷氨酸； ②在 条件下, 则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 中性 弱碱性 酸性 发酵工程的基本环节 02 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 获得产品 中心环节 2.现代发酵工程使用的发酵罐的优点： 均有 ， 能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、 罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等 进行 和 ， 还可以进行 ， 使发酵全过程处于 。 计算机控制系统 监测 控制 反馈控制 最佳状态 扩展：发酵罐的结构示意图 02 装置编号 主要用途 A1-A3 控制培养物以一定速度进入、 流出发酵罐，实现 。 A4 控制 。 B1-B5 通过肉眼观察、仪器检测等 监控发酵条件以及发酵过程， 处抽取样品进一步检测。 C1、C2 通过控制冷水流速调节 。 C3 调节 。 D1、D2 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 以及 。 B1 B2 B5 B3 B4 C1 C3 C2 A1 A2 A3 D1 D2 A4 连续培养 溶解氧 B2 罐温 罐压 氧气溶解 散热 (4)发酵条件（包括温度、pH、溶解氧、通气量等）及相应的调节和控制方法： ①温度：通过向冷却夹层通入冷水来调控；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。 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。 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。 发酵工程的基本环节 02 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 获得产品 1.方法:①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后， 采用 、 等方法将菌体 和 ,即可得到产品； ②发酵产品是代谢物时，可根据 采取 适当的 、 和 措施来获得产品。 过滤 沉淀 分离 干燥 产物的性质 提取 分离 纯化 能否通过一般的过滤、沉淀等方法将氨基酸从培养液中分离提取出来? 判断 不能，氨基酸是小分子物质。 发酵工程的基本环节 02 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 获得产品 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？ 思考 提示： 。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或 处理。 不能 灭菌 发酵工程的应用 03 尿素分子模型 发酵工程的特点 发酵工程的应用 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 产物专一 废弃物对环境污染小和容易处理 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 在食品工业上的应用·①生产传统的发酵产品 03 大豆(主要原料) 黑曲霉 (蛋白酶) 小分子肽和氨基酸 淋洗、调制 酿酒酵母 酱油的生产 各种酒类的生产 酱油 各种酒类 谷物或水果 在食品工业上的应用·①生产传统的发酵产品 03 啤酒的工业化生产流程 思考·讨论 在食品工业上的应用·①生产传统的发酵产品 03 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 大麦 水 糖化罐 大麦种子发芽， 释放 。 加热杀死 ； 但 。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉水解, 形成 。 分解淀粉 淀粉不溶于水，二糖和单糖可溶于水； 终止麦芽生长，减少有机物消耗，保留营养物质； 便于糖化 淀粉酶 种子胚 不使淀粉酶失活 糖浆 啤酒的工业化生产流程 思考·讨论 在食品工业上的应用·①生产传统的发酵产品 03 啤酒的工业化生产流程 思考·讨论 蒸煮 5 6 发酵 7 消毒 8 终止 产生 ， 终止 的进一步作用，并对糖浆 。 酵母菌将糖转化为 和 ； 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的 。 、 、 啤酒进行出售。 糖浆 啤酒花 过滤 冷却 装瓶 装罐 储存罐 风味组分 酶 灭菌 酒精 CO2 保存期 过滤 调节 分装 在食品工业上的应用·①生产传统的发酵产品 03 啤酒的工业化生产流程 思考·讨论 【讨论1】啤酒发酵的过程及内容： 过程 内容 主发酵 后发酵 【讨论2】啤酒花的作用： ①使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐力。 ②形成啤酒优良的泡沫。 ③有利于麦芽汁的澄清。 ④平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲。 酵母菌的繁殖、糖的分解、代谢物的生成 低温、密闭环境下储存 在食品工业上的应用·②生产各种各样的食品添加剂 03 作用： ①增加食品的 ； ②改善食品的 ； ③延长食品的 ； 实例： ①柠檬酸是一种广泛应用的 ， 可以通过 的发酵制得； ②由 发酵可以得到谷氨酸， 谷氨酸经过一系列处理就能制成 。 营养 口味、色泽和品质 保存期 食品酸度调节剂 黑曲霉 谷氨酸棒状杆菌 味精 在食品工业上的应用·②生产各种各样的食品添加剂 03 添加剂类型 举例 剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 剂 5`-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素 剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 剂 乳酸链球菌、溶菌酶 常见的几类食品添加剂： 酸度调节 增味 着色 增稠 防腐 在食品工业上的应用·③生产酶制剂 03 常见酶制剂：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶、脂肪酶等。 来源：少数由 生产，绝大多数通过 生产。 特点：用于食品的 、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。 动植物 发酵工程 直接生产 在医药工业上的应用 03 抗生素 发酵工程生产的药物: 、 、 、 等。 发酵工程生产的药物的方法： 发酵 工程 动植物的基因 微生物 转入 直接改造微生物 微生物 病原体的抗原基因 转入 药物 药物 疫苗 生长激素释放抑制激素 未来：紫杉醇注射液 重组乙型肝炎疫苗 氨基酸 激素 免疫调节剂 原理： ①利用微生物在代谢过程中产生的 、 等来增进土壤肥力， 改良土壤结构，促进植株生长。 ②利用微生物代谢物 土壤中病原微生物 的生长，从而减少病害的发生。 常见微生物肥料： 肥、 肥。 在农牧业上的应用·①生产微生物肥料 03 根瘤菌 有机酸 生物活性物质 抑制 固氮菌 原理：利用 或 来防治病虫害; 常见微生物农药： ① 菌：防治80多种农林虫害； ② 菌：防治玉米螟、松毛虫等虫害； ③ 菌：产生井岗霉素，防治水稻枯纹病； 在农牧业上的应用·②生产微生物农药 03 微生物 生物防治 其代谢物 利用微生物农药防止病虫害，属于什么防治类型？ 判断 苏云金杆 白僵 放线 在农牧业上的应用·③生产微生物饲料 03 原理：微生物含有丰富的 , 如:细菌的蛋白质含量占细胞干重的 ，而且细菌生长繁殖速度很快。 常见微生物饲料： ① ：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料， 通过发酵获得的大量微生物菌体。 其不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。 ②青贮饲料中添加 ， 可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。 单细胞蛋白 乳酸菌 蛋白质 60%～80% ①利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。 意义：解决 与 问题。 ②极端微生物应用于生产实践 原理：极端微生物，它们能在 的环境 （高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。 应用：① 菌、 菌可以用来生产洗涤剂； ② 菌有助于提高热敏性产品的产量； 在其他方面的应用 03 资源短缺 环境污染 极端恶劣 嗜热 嗜盐 嗜低温 发酵工程及其应用·判断正误P16 尿素分子模型 (1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯(　　) (2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺(　　) (3)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率(　　) (4)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大， 不易处理(　　) (5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌(　　) × 发酵罐内发酵； √ 酸性-形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，中性和弱碱性-积累谷氨酸； × 大多是单一菌种; × 废弃物对环境污染小，容易处理; × 黑曲霉; 发酵工程及其应用·落实思维方法P17 1.果酒的家庭制作与啤酒的工业化生产相比，共同点有(　　) A．都利用了酵母菌无氧呼吸产生酒精的原理 B．都需要在无氧环境供发酵菌种繁殖 C．发酵前都需要对原料进行灭菌 D．发酵结束后都必须进行消毒以延长保存期 A 有氧环境-酵母菌大量繁殖，×； 家庭制作不需要对原料进行灭菌，×； 家庭制作结束后不需要进行消毒，×； 发酵工程及其应用·落实思维方法P17 2．下列有关发酵工程的叙述，正确的是(　　) A．单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质 B．可通过诱变育种、基因工程等方法选育出性状优良的菌种进行扩大培养 C．发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵 D．通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧、pH和酶的控制等 B 单细胞蛋白是通过发酵获得的大量的微生物菌体，×； 最大的相同之处是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产，×； 不包括对酶的控制，×； 练习与应用·书本P28 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。 × √ √ × 练习与应用·书本P28 2.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) (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？ 提示：可以 或 ， 从而使青霉素生产菌只生产一种产物。 基因工程 提示：可以用 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。 对两种酶的基因进行改造 敲除其中一种酶的基因 练习与应用·书本P28 3.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。 提示：存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用 (如陈化的稻谷等)或者 (如秸秆等)。 陈化粮 非粮食生物材料 补充：使用陈化粮生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$