第1章 第3节 发酵工程及其应用-2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程同步课件PPT（人教版2019）

第3节　发酵工程及其应用 第1章　发酵工程 生物 学习目标 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。 学习重难点 重难点： 1.发酵工程的基本环节。 2.发酵工程的应用。 导入新课 青霉素是由青霉菌产生的，早期科学家只能从青霉菌中提取少量的青霉素，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道路。什么是发酵工程？发酵工程的基本环节有哪些？通过发酵工程能生产哪些产品？ 问题思考 一、发酵工程的基本环节 新课讲授 新课讲授 选育菌种 扩大培养 发酵罐内发酵 接种 灭菌 分离、提纯产物 获得产品 中心环节 配制培养基 [探究一]发酵工程的基本环节 新课讲授 1.选育菌种 选育菌种的目的是什么？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：获得性状优良的菌种。 菌种的来源有哪些？ 提示：从自然界中筛选、诱变育种(产生的是常规菌，生产微生物自身能合成的产品，如青霉素)，基因工程育种(产生的是工程菌，生产微生物自身不能合成的产品，如胰岛素)。 新课讲授 选育菌种的意义是什么？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：优良的菌种不仅具有健壮、不易退化，其发酵产品产量高、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微生物发酵产物的成败。 选育菌种有哪些实例？ 提示：筛选产酸量高的黑曲霉来生产柠檬酸；在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。 新课讲授 2.扩大培养 扩大培养的目的是什么？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：获得更多的菌种。 扩大培养的原因是什么？ 提示：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。 新课讲授 扩大培养用什么培养基？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：一般为液体培养基。 新课讲授 3.培养基的配制、灭菌 配制培养基有什么要求？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示： ①在菌种确定之后（结合菌种的代谢特点）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试验才能确定（即不断优化培养基）。 新课讲授 [探究一]发酵工程的基本环节 为什么要对培养基进行灭菌？ 提示：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低。 灭菌的目的是什么？ 提示：避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量(培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌)。 新课讲授 4.接种 发酵工程中的接种是如何做的？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。 新课讲授 5.发酵罐内发酵 发酵罐内发酵在发酵工程的流程中有什么样的地位？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：是发酵工程的中心环节。 发酵有什么要求？ 提示：①发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；②要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。 新课讲授 严格控制发酵条件的原因是什么？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：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。 请举例说明不同发酵条件的影响实例。 提示： 谷氨酸的发酵生产：①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；②在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 新课讲授 现代发酵工程使用的大型发酵罐的优点是什么？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制，还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 阀门 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 新课讲授 [探究一]发酵工程的基本环节 装置编号 主要用途 A1、A2、A3 A4 B1、B2、B3、B4、B5　 C1、C2 C3 D1、D2 发酵罐示意图 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 新课讲授 6.分离、提纯产物 分离、提纯的目的是什么？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：获得产品。。 新课讲授 [探究一]发酵工程的基本环节 产品有哪两种形式？ 提示： ①微生物细胞本身；②代谢物。 采取什么手段？ 提示：①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品；②发酵产品是代谢物时，可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。 新课讲授 思考、讨论： (1)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？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：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。 新课讲授 (2)怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：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和溶解氧等发酵条件，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。 新课讲授 (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？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：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，会采用高效液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产品无论是代谢物还是微生物细胞本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 新课讲授 (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？ [探究一]发酵工程的基本环节 提示：不能；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灭菌处理。 二、发酵工程的应用 新课讲授 新课讲授 [探究二]发酵工程的应用 发酵工程的优点： 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。 因此，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。 新课讲授 [探究二]发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 举例说明生产传统的发酵产品。 新课讲授 说说食品添加剂的优点并列举其生产实例。 [探究二]发酵工程的应用 提示：食品添加剂的优点：增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期。 ①实例1——柠檬酸 柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，它可以通过黑曲霉的发酵制得。 ②实例2——味精 由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制成味精。 新课讲授 列举常见的酶制剂并说出其应用和来源。 [探究二]发酵工程的应用 提示：常见酶制剂：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶等。 酶制剂的应用：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。 酶制剂的来源：少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。 新课讲授 啤酒的工业化生产流程 [探究二]发酵工程的应用 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 (1)发芽：大麦种子发芽，释放淀粉酶。 (3)碾磨：将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉，便于糖化。 (2)焙烤：加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活，减少胚发育时有机物的消耗。 新课讲授 [探究二]发酵工程的应用 (8)终止：过滤、调节、分装啤酒进行出售。 (4)糖化：在淀粉酶的作用下，淀粉分解，形成糖浆。 (5)蒸煮：产生风味组分，终止酶的进一步作用，并将糖浆灭菌。 (6)发酵：酵母菌将糖转化为酒精和CO2。 (7)消毒：杀死啤酒中的大多数微生物，延长保存期。 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 新课讲授 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？ [探究二]发酵工程的应用 提示：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。 新课讲授 列表比较“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别。 [探究二]发酵工程的应用 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 发酵时间长，可达2个月 发酵时间短，通常为7天左右 产量低、价格高 产量高、价格低 新课讲授 2.在医药工业上的应用 如何采用基因工程的方法制药？ [探究二]发酵工程的应用 提示：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的应用有哪些？ 提示：利用微生物生产生长激素释放抑制激素等。 新课讲授 还有哪些应用？ [探究二]发酵工程的应用 提示：将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。例如，一种生产乙型肝炎疫苗的方法就是将乙肝病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产。 新课讲授 3.在农牧业上的应用 生产的微生物肥料有哪些种类？有什么作用？ [探究二]发酵工程的应用 提示： ①微生物肥料的种类：根瘤菌肥、固氮菌肥等； 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。 新课讲授 生产微生物农药有什么作用？属于什么防治类型？ [探究二]发酵工程的应用 提示：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：生物防治。 新课讲授 [探究二]发酵工程的应用 生产微生物饲料的原理是什么？有哪些实例？ 提示：原理：微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度很快。 ①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。 单细胞蛋白的应用——食品添加剂、微生物饲料等。 ②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。 新课讲授 [探究二]发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 在解决资源短缺与环境污染问题方面有什么进展？ 提示：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。 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。极端微生物已应用于哪些生产实践中？ 提示：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。 【练习1】 当堂训练 现代发酵工程使用的大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程的一些指标进行监测和控制。下列指标无法监测的是( ) A.菌体大小 B.pH C.溶解氧 D.温度 A 下列关于发酵工程的说法不正确的是( ) A.发酵过程中要随时检测培养液中的微生物数量 B.发酵过程中要随时检测培养液中的产物浓度 C.发酵过程中不需要再添加营养组分 D.发酵过程中要严格控制温度、pH和溶解氧等 C 当堂训练 【练习2】 下列关于发酵工程的菌种说法错误的是( ) A.发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来 B.发酵工程可以利用原材料中含有的菌种 C.发酵工程的菌种可以来自基因工程 D.发酵工程的菌种可以来自诱变育种 B 当堂训练 【练习3】 目前发酵工程在医药工业上的应用还没有实现的是（ ） A.生产抗生素 B.生产免疫调节剂 C.生产激素 D.生产紫杉醇 D 当堂训练 【练习4】 下列关于发酵工程在食品工业上应用的叙述，错误的是( ) A.生产传统发酵产品，如利用产生蛋白酶的霉菌酿造酱油 B.生产各种各样的食品添加剂，可以改善食品的口味但不能增加食品的营养 C.生产食品酸度调节剂，如柠檬酸可以通过黑曲霉的发酵制得 D.生产酶制剂，少数酶制剂由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产 B 当堂训练 【练习5】 青霉素作为治疗细菌感染的药物，是20世纪医学上的重大发现，是抗生素工业的首要产品。[注：冷冻干燥孢子：在极低温度(－70 ℃左右)、真空干燥状态下保藏的菌种。米孢子：生长在小米或大米培养基上的孢子。] 当堂训练 【练习6】 据图回答下列问题： (1)目前发酵生产中常用的高产青霉素菌种是通过 ___________________ 方法选育的。据图可以判断青霉菌的代谢类型是_______________ ，生殖方式为____________ 。 诱变育种(人工诱变） 异养需氧型 孢子生殖 (2)配制培养基时需要将其调节至_________ (填“酸性”“碱性”或“中性”)。种子罐2又叫繁殖罐，可推测②属于发酵工程中的 __________ 阶段。发酵罐接种_____ (填“前”或“后”)，必须进行灭菌处理。 扩大培养 酸性 前 当堂训练 【练习6】 课堂小结 谢谢大家 $$