1.3 发酵工程及其应用课件-2024-2025学年高二生物同步优质备课（人教版2019选择性必修3）

第3节 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？ 第一章 发酵工程 本PPT模板部分元素使用了幻灯片母版制作。如果需要修改，点击-视图-幻灯片母版-修改；完成后关闭编辑母版即可。 1 学习目标、重难点 核心素养 1.概述发酵工程及其基本环节。 2.举例说明发酵工程在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.杜会责任：认可发酵工程在生产上的重要应用价值。 1.教学重点 发酵工程的基本环节、发酵工程的应用。 2.教学难点 发酵工程的基本环节 2 山西老陈醋 思考:你知道老陈醋生是怎么生产的吗？ 【思考以下问题】 1.老陈醋的生产利用了什么原理？ 2.超市卖老陈醋是应用的传统发酵技术制醋和还是发酵工程呢？二者有何不同？ 3.现代工业发酵发酵制醋需要用到哪些技术？ 发 酵:人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。 传统发酵技术？ 直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的面团、卤汁等发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术。 发酵工程？ 问题探讨 3 对发酵原理的认识 利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术， 生产对人类有用的物质的技术体系。 ——发酵工程 微生物的特定功能 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) 现代化工程技术 发酵工程 发酵工程基本环节是什么？ 问题探讨 1.概念 4 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 ②② ①方法： 自然界直接筛选性状优良的常规菌种； 通过诱变育种或基因工程育种获得工程菌。 ②实例： 选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸； 使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒。 诱变育种 2.基本环节： 选育菌种 一、发酵工程的基本环节 ③实质： 利用微生物进行产品生产。 （自然微生物） 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 ②② 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？？ 2.基本环节： ②产物方面 目的产物多，副产物少 ④设备方面 发酵条件容易控制 ③菌体方面 菌体生长繁殖力强，耐受力强，抗污染、菌种不易变异、退化 ①原料方面 来源广，低成本、转化率高 一、发酵工程的基本环节 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 ②② 扩大培养的原因： 怎样对菌种进行扩大培养？？ 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 目的： 增加菌种数量 一、发酵工程的基本环节 2.基本环节： 工业发酵罐体积 几十 ~ 几百m3 几 ~ 几十m3 接入的菌种总体积 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）。 （液体培养基） 选育菌种 扩大培养 灭菌 接种 2.基本环节： 一、发酵工程的基本环节 配制培养基 ②② ①配置培养基要遵循的原则： 即根据菌种的代谢特点，选择不同的材料配制培养基。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。 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 选育菌种 扩大培养 接种 发酵罐内发酵 分离、 提纯产物 获得产品 ②② ①目的： ③实例： 在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。 灭菌改成消毒可以吗？ 配制培养基 2.基本环节： 一、发酵工程的基本环节 灭菌 避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量 发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦杂菌污染，种间竞争关系或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长可能导致产量大大下降。因此，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 配制培养基 灭菌 接种 分离、 提纯产物 获得产品 发酵工程的中心环节 发酵罐内发酵 2.基本环节： 一、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 配制培养基 灭菌 接种 分离、 提纯产物 获得产品 发酵工程的中心环节 发酵罐内发酵 2.基本环节： 一、发酵工程的基本环节 （1）了解发酵进程： 随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。 （2）严格控制发酵条件： 及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 1、发酵过程实时监控： ①环境条件不仅影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；②严格控制发酵条件，有利使发酵全过程处于最佳状态。 为什么？ 不同发酵条件的会有什么影响？ 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 分离、 提纯产物 获得产品 发酵工程的中心环节 发酵罐内发酵 2.基本环节： 一、发酵工程的基本环节 谷氨酸发酵 2、不同发酵条件的影响实例： 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 ①谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其与有氧呼吸有关的酶主要存在于细胞膜上； ② C:N的比值会影响谷氨酸发酵过程 C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。 ③溶解氧：通过通气量和搅拌速度调节。 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：可通过温度传感器和控制装置进行检测，通过调节冷却水的进、出水口的水流来调整。 ②pH：可通过pH计检测，通过加酸或碱进行调节；也可通过pH缓冲液进行保持。 原因： 培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。 原因:微生物代谢释放的能量；机械搅拌产生 一、发酵工程的基本环节 【情景探究】如图是大型发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题： 3、发酵条件中的温度、pH、溶解氧如何控制？ 4、搅拌叶轮在发酵过程中有什么作用？ (1)使微生物得到充足的氧气； (2)使微生物与培养基充分接触； (3)有助于充分散热； (4)有利于固体物质在发酵液中保持悬浮状态。 一、发酵工程的基本环节 【情景探究】如图是大型发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题： ①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率； ②加快O2的溶解以及散热。 5、发酵过程中叶轮不断搅拌的目的： 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 ②② 发酵产物类型 获得产品的方法 微生物细胞本身 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： 2.基本环节： 一、发酵工程的基本环节 思考：发酵产生气体和废弃培养液等能不能直接排放？ 不能，应二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求后排放。 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。 一、发酵工程的基本环节 思考：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？ 3.发酵过程小结 ①对发酵工程概念的理解 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 一、发酵工程的基本环节 灭菌 一、发酵工程的基本环节 3.发酵过程小结 ②对发酵工程过程的理解 过滤、沉淀等方法 2.下列对发酵工程内容的叙述，错误的是（ ） A．发酵工程的中心环节是在发酵罐内的发酵 B．发酵过程使用的菌种可以从自然界存在的微生物中直接筛选 C．发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标 D．通过对微生物细胞产物进行提取、分离和纯化等措施可获得单细胞蛋白 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 B 课堂练习 D 19 1、发酵工程的特点： 生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点。 2、发酵工程的应用： 农牧业 医药工业 食品工业 其他方面的应用 二、发酵工程的应用 3.在食品工业上的应用 (1)生产传统发酵产品 酱油的生产 各种酒类的生产 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 谷物、水果 酵母菌 无氧条件 酒精+CO2 各种酒类 21 二、发酵工程的应用 探究二：观看视频，阅读教材P24-25，写出啤酒的工业化生产流程。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 接种 过滤 主发酵 完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。 后发酵 在低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。 部分过程强调： ⑴焙烤的目的：_______________________ ____； ⑵蒸煮的目的：_____ ___________________________________。 加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活 产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌 1.在食品工业上的应用 (2)生产传统发酵产品 二、发酵工程的应用 ①使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和反腐剂 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 23 【思考·讨论】 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。 讨论2：发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，这是发生了什么变化吗？ 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3：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？ 二、发酵工程的应用 24 2.啤酒的工业化生产中，大麦经发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒等工序后，最终过滤、调节、分装。下列说法不正确的是(　　 　) A．用赤霉素处理大麦，可使大麦种子无须发芽就能产生α－淀粉酶 B．焙烤是为了利用高温杀死大麦种子胚并进行灭菌 C．糖浆经蒸煮、冷却后需接种酵母菌进行发酵 D．通过转基因技术可减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期 B　 去除大麦种子中的水分，可以杀死大麦种子胚，但没有起到灭菌作用. 课堂练习 （3）生产各种各样的食品添加剂 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 表1-2 常用的几种食品添加剂 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 乳酸链球菌素、溶菌酶 添加了柠檬酸的饮料 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 食品添加剂的作用： 二、发酵工程的应用 （4）生产酶制剂 ①常见酶制剂 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、改善产品品质和口味、延长储存期和提高产量等； 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； α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶 二、发酵工程的应用 基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 动植物的基因 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 各种抗生素 多种氨基酸 多种激素 多种免疫调节剂 发酵工程生产的药物 通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素 2.在医药工业上的应用 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 (1)生产微生物肥料 微生物代谢产生的有机酸、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、增强植物抗病性和抗逆性。 利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的的发生。 常见微生物肥料： 根瘤菌肥、固氮菌肥 （2）生产微生物农药 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 常见微生物农药： 苏云金杆菌(Bt毒蛋白): 防治80多种农林害虫 白僵菌(真菌): 防治玉米螟、松毛虫 放线菌 (井冈霉素): 防治水稻枯纹病 防治类型属于什么防治？ 生物防治 二、发酵工程的应用 29 （3）生产微生物饲料 微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。 ①单细胞蛋白： 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。 用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂； 单细胞蛋白制成微生物饲料，提高家禽增重快，产奶量或产蛋量高。 例如 ②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 30 二、发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 （1）解决资源短缺与环境污染问题 利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质 （2）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（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。 ①极端微生物： ②举例： 嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、_______和______等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 健康 能源 3.发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用，在发酵过程中，发酵条件的控制至关重要。下列关于发酵条件的控制的叙述，不正确的是(　　) A．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，因此发酵过程要严格控制发酵条件 B．发酵过程中，微生物代谢产热和机械搅拌产热会使发酵温度升高，因此要及时调节发酵罐温度 C．培养基中营养物质的利用和代谢物的积累，可能会导致发酵液pH发生改变，如工业酿酒会导致pH上升 D．现代工业发酵对发酵条件的监测和控制是通过计算机系统实现的，可以使发酵过程处于最佳状态 C　 C　 果酒制作过程中不仅会产生酒精，还会产生大量的二氧化碳，发酵液的pH会下降。 课堂练习 课堂小结 1.发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。下列关于发酵工程的认识错误的是(　　) A.发酵工程具有条件温和、产物单一、污染小的特点 B.发酵工程的产品包括微生物的代谢产物和菌体本身 C.通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧和pH等 D.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 课后练习 D　 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 2.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( ) 课后练习 C　 3.啤酒生产的简要流程如图所示，制麦时用赤霉素溶液浸泡大麦种子，糖化主要将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子。下列说法错误的是( ) A.在整个发酵过程中，要始终保 持严格的无菌、厌氧环境 B.用赤霉素溶液浸泡大麦种子， 目的是促进α-淀粉酶合成 C.在接种酵母菌前进行冷却处理，是为了避免杀死酵母菌种 D.包装后放置的啤酒变酸且产生表面菌膜，一般可从菌膜中分离得到醋酸菌 A 课后练习 4.废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是(　　) A.该生产过程中，一定有气体生成 B.微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料 C.该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质 D.沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理 A 课后练习 5.(2023·长春质检)啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下：①大麦种子发芽，释放淀粉酶；②加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活；③将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉；④淀粉分解，形成糖浆；⑤糖浆加入啤酒花，蒸煮；⑥加入酵母菌，发酵；⑥过滤，77 ℃保温30 min；⑧过滤、分装啤酒进行出售。回答下列问题： (1)大麦种子细胞中合成淀粉酶的场所是________。 (2)流程⑤蒸煮的目的是终止酶的进一步作用，并__________________。流程⑥ 在加入酵母菌前，需进行的操作为________，该操作的目的是__________ __________________________。 核糖体 对糖浆进行灭菌 冷却 避免杀死菌 种(或保持酵母细胞的活性)　 (3)77 ℃保温30 min的操作类似于巴氏消毒法，该操作的目的既能杀死啤酒中的微生物，又能保证____________________________________________________。 (4)若要进一步研究淀粉酶的特性，需从发芽大麦种子中提取和分离淀粉酶，主要步骤是原料处理→________→纯化→纯度鉴定。 啤酒中的营养成分不被破坏(或啤酒中的营养成分不流失)　 粗分离 课后练习 Lavf58.20.100 vid:v0300fg10000cjq2um3c77u2idn4t1kg Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$