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 zhao (z) - 。如传入。】成人人 n 【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 人们对发酵原理的认识 微生物纯培养技术的建立 密闭式发酵罐的设计成功 发酵工程形成 发酵工程：利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 一、发酵工程的基本环节 说出发酵工程的基本环节有哪些？具体操作如何？ 2.与传统发酵技术相比，发酵工程使用的菌种有什么不同？ 3.发酵工程的中心环节是什么？ 4.生产过程需要控制哪些条件？ 5.发酵工程的产品可以概括为哪两类？如何获得？ 6.发酵罐是如何控制发酵条件的？ 【活动一】阅读P22-P23发酵工程的基本环节和发酵罐示意图,回答以下问题： 一、发酵工程的基本环节 接种 灭菌 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 方法：从自然界中筛选出来；诱变育种或基因工程育种获得。 基因突变， 不定向 人为基因重组，定向改造 【思考】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？ 能在低成本的培养基上生长，且产物产量高； 发酵条件（如温度、pH、溶解氧等）易控制； 菌种不易变异、退化等。 增加菌种数量，缩短生产周期。 灭菌 选育菌种 扩大培养 配制培养基 一、发酵工程的基本环节 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 配置培养基 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单一菌种 一旦有杂菌污染，可能导致品质、产量大大降低 灭菌： 一、发酵工程的基本环节 接种 灭菌 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 具体操作： ①随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程； ③要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。 ②及时添加必需的营养成分; 原因：环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。 eg.谷氨酸的发酵：中性和弱碱性——积累谷氨酸； 酸性——易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 中心环节 【进一步思考】为何要进行以上操作？如何监测？ 一、发酵工程的基本环节 接种 灭菌 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 配制培养基 【思考】用什么手段对产品进行分离、提纯？ ①微生物细胞本身: 发酵结束之后,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥 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。 ②代谢物: 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。 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 发酵罐示意图： 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增加溶氧量。 排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？ 不能。微生物及其代谢物中可能对人或环境有害，排放前要二次清洁或灭菌处理。 练习：青霉素是一种常用的抗生素，其工业化生产流程如下图所示。 回答下列问题： (1)培育青霉素高产菌株的育种方法是______________，过程①②属于发酵工程的____________环节，其主要目的是_______________________。 (2)过程③不能用化学药物进行灭菌处理，原因是__________________。 (3)发酵过程中必须严格控制好____________________________________(至少答出3点)等发酵条件，使发酵全过程处于最佳状态；同时定期检测_______________ (至少答出2点)等，以了解发酵进程。 (4)过程④常用的方法是__________________。 扩大培养 快速增加菌种的数量 残留在培养基中的化学药物会抑制青霉菌的生长繁殖 温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质 微生物数量、产物浓度 过滤、沉淀 诱变育种 小结：①对发酵工程概念的理解（P1） 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 微生物细胞本身或代谢物 11 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 阅读教材P24-25，完成啤酒的工业化流程 发酵 7 消毒 8 终止 发芽 1 2 焙烤 3 碾磨 4 糖化 蒸煮 5 6 大麦种子发芽，释放淀粉酶。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。 将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉水解形成糖浆。 产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。 酵母菌将糖转化为酒精和CO2 杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。 过滤、调节、分装啤酒进行出售。 三、发酵工程的应用 主发酵 后发酵 【活动】阅读教材24页“思考.讨论”第1段，思考： 啤酒的工业化生产发酵过程分为哪两个阶段？作用分别是？ 不适合饮用 澄清、成熟 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：__________________________________。 6.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ 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 “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。 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？ 思考·讨论 啤酒的工业化生产流程 啤酒的工业化流程 酒精在醋酸菌的作用下产生醋酸。 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? 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。 一、概念检测 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 二、拓展应用 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青霉素或者只生产头孢霉素呢？ 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。 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一风险。 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（如陈化的稻谷等）或者非粮食生物材料（如秸秆等）。使用陈化粮生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。 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，接入新的培养液中连续培养，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 （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 S形增长 （4）将目的菌用于环境保护实践时，还有哪些问题需要解决? 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）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 x 10〜1 x 105；取每个浓度的冰激凌液各0.1mL，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48 h，统计菌落数目。 (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？ 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 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自来水检出的菌落总数不可以超过100个（37℃培养48 h），不得检出总大肠菌群】 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。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。（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 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？ 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。 (2)下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是 。 B A B C D (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大还是偏小？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小。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的数目。 (4)如果实验结果显示，检测的冰激凌中大肠杆菌含量超标了。接下来他们应该做什么? 应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。 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 $$