1.3发酵工程及其应用 课件 2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第一章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 【问题情境】 单价：1元 在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 青霉素制剂 一、发酵工程的基本环节 发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些功能，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。 发酵工程一般包括以下步骤： 选育高产菌种 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 （一）菌种选育 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？ ——菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。 一、发酵工程的基本环节 菌种来源： 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： 自然界中、诱变育种、基因工程育种 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？ 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： （一）菌种选育 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。 （二）扩大培养 扩大培养所用的培养基，从物理性质上分类，是什么类型的培养基？ 扩大培养有何目的？ 液体培养基。 可以使微生物与营养物质充分接触，提高营养物质的利用率，有利于微生物的繁殖。 扩大培养目的： 增加菌种的数量，缩短生产周期。 一、发酵工程的基本环节 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： （三）配制培养基 ① 结合菌种代谢特点，选择原料制备培养基； ② 在生产实践中，培养基的配方要经过反复实验才能确定 （即不断优化培养基）； 发酵工程种所用的菌种大多是____________， 一旦有杂菌污染，可能导致_________________ 单一菌种 品质、产量大大降低 一、发酵工程的基本环节 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： 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。 （四）灭菌 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 装置编号 主要用途 A1-A3 A4 B1-B5 C1、C2 C3 D1、D2 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。 （五）接种 一、发酵工程的基本环节 （六）发酵罐内发酵—中心环节 思考：与传统发酵技术相比，现代发酵工程使用的发酵罐的优点是什么? 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 一、发酵工程的基本环节 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： 一、发酵工程的基本环节 思考1：为什么要严格控制发酵条件？ （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； 例如谷氨酸发酵： ①在________和_________条件下会积累谷氨酸； ②在________条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺； 中性 弱碱性 酸性 （2）严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： （六）发酵罐内发酵—中心环节 思考2：怎样对发酵条件进行调控以满足微生物生长的需要？ 发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等： ①温度：可通过向冷却夹层通入冷水来调控； ②pH：可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱； 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。 厌氧型的：需封闭空气入口，建立厌氧环境等。 一、发酵工程的基本环节 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： （六）发酵罐内发酵—中心环节 思考4：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。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备,达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。 一、发酵工程的基本环节 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： （六）发酵罐内发酵—中心环节 （七）分离、提纯产物 思考3：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？ 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。 发酵产品 分离、提纯方法 微生物细胞 通过过滤、沉淀等方法将菌体分离、干燥 代谢物 蒸馏、萃取、离子交换等方法 一、发酵工程的基本环节 任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节： 【归纳】结合刚刚的分析，思考发酵工程相比传统发酵技术，有什么优点？ 发酵工程的优点：(P24) 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； 一、发酵工程的基本环节 【例】发酵工程生产产品的流程如图所示。回答下列问题： (1)性状优良的菌种可以从______中获取，随着技术的发展，也可以通过_________或____________等途径获得。 (2)发酵过程是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中的___________、________等，以了解发酵进程。除了解发酵进程外，还要及时添加必需营养组分，要严格控制___________________(答出2点即可)等条件。 (3)如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用____________等方法将菌体分离和干燥，即可得产品。若产品是代谢物，可根据产物性质采取适当的__________________措施来获得产品。 自然界 诱变育种 基因工程育种 微生物数量 产物浓度 温度、pH和溶解氧 过滤、沉淀 提取、分离和纯化 【例】发酵工程生产产品的流程如图所示。回答下列问题： (4)青霉菌在一定条件下可产生青霉素，青霉素具有杀菌的作用，有同学认为利用青霉菌发酵生产青霉素的过程中不必担心杂菌的污染，你是否认同这样的观点？________。为什么？ 不认同 因为青霉素只能杀灭部分杂菌，且某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉，因此生产青霉素的过程中也要防止杂菌污染 任务二：自主阅读教材P24-27页的内容，完成下列表格。   具体应用 成果 食品 传统的发酵产品 酱油（霉菌）、酒类（酵母） 医药 食品添加剂 酶制剂 工程菌 改造菌种 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 生长激素释放抑制激素 青霉素 疫苗 乙型肝炎疫苗 二、发酵工程的应用   具体应用 成果 农牧业 肥料 农药 饲料 其他 方面 解决资源短缺 和环境污染问题 对极端微生物 的利用 根瘤菌肥、固氮菌肥（根瘤菌和固氮菌） 多种农林虫害（苏云金杆菌）、玉米螟和 松毛虫（白僵菌）、水稻枯纹病（井冈霉素） 淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得微生物菌体 酒精、乙烯（纤维素废料） 洗涤剂（嗜热菌、嗜盐菌） 任务二：自主阅读教材P24-27页的内容，完成下列表格。 二、发酵工程的应用 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 (1)酱油的生产 (2)各种酒类的生产 谷物、水果 酵母菌 无氧条件 酒精+CO2 各种酒类 任务三：自主阅读教材P24-26页内容，分析发酵工程在食品工业上的应用。 二、发酵工程的应用 1.生产传统的发酵产品 2. 生产各种各样的食品添加剂 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、溶菌酶 添加了柠檬酸的饮料 谷氨酸棒状杆菌 发酵 氧气 谷氨酸 处理 味精 淀粉 淀粉酶 黑曲霉 葡萄糖 柠檬酸合成酶 柠檬酸 任务三：自主阅读教材P24-26页内容，分析发酵工程在食品工业上的应用。 二、发酵工程的应用 ①常见酶制剂 α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 ②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； ③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； 3. 生产酶制剂 任务三：自主阅读教材P24-26页内容，分析发酵工程在食品工业上的应用。 二、发酵工程的应用 思考·讨论 啤酒的工业化生产流程 啤酒的工业化流程 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。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 后发酵 冷却 消毒 终止 过滤 低温、密闭、储存一段时间 思考： 1.啤酒的发酵过程分为_______和_______两个阶段； 2.主发酵阶段完成________________________________； 3.后发酵的条件__________________________； 4.焙烤的目的：___________________________； 5.蒸煮的目的：__________________________________。 主发酵 后发酵 酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成 低温、密闭的环境下储存一段时间 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌 思考·讨论 啤酒的工业化生产流程 啤酒的工业化流程 思考·讨论 啤酒的工业化生产流程 啤酒的工业化流程 思考:： 6.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ 7.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？ “通气”：酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖； “密封”：酵母菌进行酒精发酵产生酒精。 酒精在醋酸菌的作用下产生醋酸。 结合啤酒的工业化生产流程，思考并讨论P25问题： 讨论1. 与传统的手工发酵相比，在下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? 二、发酵工程的应用 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。 结合啤酒的工业化生产流程，思考并讨论P25问题： 讨论2. 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? 二、发酵工程的应用 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。另一方面，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。 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 通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素 任务四：自主阅读教材P26-27页内容，分析发酵工程在医药工业上的应用。 未来：可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物 二、发酵工程的应用 微生物肥料利用了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。 生产微生物农药 生产微生物肥料 有机酸 生物活性物质 根瘤菌肥 固氮菌肥 任务五：自主阅读教材P26-27页内容，分析发酵工程在农牧业上的应用。 二、发酵工程的应用 微生物农药是利用　　　或　　　 来防治病虫害的。 微生物农药作为　　　　的重要手段 微生物 其代谢物 生物防治 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 生产微生物饲料 任务五：自主阅读教材P26-27页内容，分析发酵工程在农牧业上的应用。 二、发酵工程的应用 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 单细胞蛋白 业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体； （食品添加剂、微生物饲料） 不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质 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。 对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用 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 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决 、 、 和　　 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 粮食 环境 健康 能源 任务六：自主阅读教材P7页内容，分析发酵工程在其他方面的应用。 二、发酵工程的应用 【典例1】发酵法生产酒精后的废液(pH 4.3)含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下。请据图回答下列问题： (1)实验过程中培养白地霉的培养基是____________ 。培养基定量分装前，先调节______ ，分装后用棉塞封瓶口，最后_____处理。 (2)图中①过程称为________ ，从甲到丁的培养过程是为了____________ 。白地霉菌的代谢类型为____________ 。 废液上清液 pH 灭菌 接种 扩大培养 异养需氧型 31 【典例1】发酵法生产酒精后的废液(pH 4.3)含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下。请据图回答下列问题： (3)为确定菌体产量，图中②操作之前，应先称量__________ 的质量。过滤后需反复烘干称量，直至__________________。所获菌体干重等于_________________________________。 滤纸 恒重(质量基本不变) 恒重时的质量与滤纸质量之差 32 【典例2】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(　　) 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定何时终止发酵 B 33 【典例3】发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。 (1)图中①表示的育种方法是 ________________。 (2)人工控制微生物代谢的措施包括 _____________________ 和 __________________________。 (3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断 地产生，这说明该生产采用了__________的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为 ______菌。 (4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用____________________等分离提纯的方法进行提取。 诱变育种 改变微生物遗传特性 　 控制生产过程中的各种条件 连续培养 好氧 萃取(或蒸馏或离子交换等) 34 35 思考·讨论 啤酒的工业化生产流程 P28答案 一、概念检测 二、拓展应用 1.(1)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）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。 2.这一风险是存在的。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。 ✖️✅✅✖ P30复习与提高答案 1.(1) 【答案】筛选出可以降解化合物A的微生物 选择 (2) 【答案】显著降低 扩增 (3) 【答案】细菌计数板计数 S型增长 (4) 【提示】目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践。 (5) 【提示】可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。 2.(1)①不同意。(只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。) ②没有必要。提示根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方案。 ③需要设置对照组。严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可说明培养基是否被污染，后者可说明该培养基能否培养出大肠杆菌。 (2)B (3)说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。统计结果比实际值偏少。因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个菌落，并且这种计数方法统计的是活菌。 (4)应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。 1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。 （1）在培养基中加入化合物A的目的是__________________________，这种培养基属于__________培养基。 （2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量 的培养液，接入新的培养中续培养，使目的菌的数量_______________。 筛选出可降解化合物A的微生物 选择 显著降低 扩增 复习与提高（P30） （3）若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落进行液体培养，再采用 方法进行计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。 细菌计数板计数 呈S形增长 复习与提高（P30） （4）将目的菌用于环境保护实践时,还有哪些问题需要解决? 目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题 （5）有人提出,可以通过改造细菌的基因来获得能够降解化合物A的细菌,请分析这种方法是否可行。 可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。 2.某个高温日，某校三位高中学生相约去吃冰激凌，之后两人都出现腹泻现象，于是他们怀疑冰激凌中的大肠杆菌含量超标。老师建议他们利用学过的有关微生物培养的知识对此冰激凌进行检测。经过一番资料查阅,他们提出了如下实验设计思路。 立即去卖冰激凌的小店再买一个同样品牌的同种冰激凌；配制伊红一亚甲蓝琼脂培养基（该培养基可用来鉴别大肠杆菌，生长在此培养基上的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽）、灭菌、倒平板；取10 mL刚融化的冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释,稀释倍数为1× 10~1×10 ；取每个浓度的冰激凌液各0.1 mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3个平板，一共培养18个平板;在适宜温度下培养48h，统计菌落数目。 复习与提高（P30） （1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。 ①他们只打算对一个冰激凌进行检测，理由是：两个人吃过冰激凌后，都拉肚子了，所以再检测一个就足以说明问题。你同意这样的观点吗？为什么？ ①不同意。只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。 复习与提高（P30） ②有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？ 【提示：我国卫生部门规定了饮用水标准，1mL自来水中细菌总数不可以超过100个（37℃培养24 h），1000 mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个（37℃培养48 h）】 没有必要。根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。 ③他们认为，在用该方法统计菌落数目时不需要设计对照组,所以只准备培养18个平板。你认为在这项检测中是否需要对照组？为什么？ ③需要设置对照组。严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可以说明培养基是否被污染，后者可以说明该培养基能否培养出大肠杆菌。 （3）在完善实验设计思路后，三位同学进行了实验。培养结果显示，除了深紫色菌落，还有其他菌落存在，这说明了什么？如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量，则统计结果比实际值是偏多还是偏少？为什么？ 说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。 统计结果比实际值偏少。因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个茵落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。 复习与提高（P30） Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf55.33.100 EV录屏3.9.7软件录制 Lavf56.38.102 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$