1.3发酵工程及其应用课件-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学课件围绕发酵工程的核心知识展开，系统梳理了菌种选育、培养基配制、灭菌操作、产物分离提纯及应用实例等关键环节，通过课前背诵问题链引导学生回顾微生物计数原理与实验误差分析，自然衔接至发酵工程基本流程与实际应用，形成由微观到宏观、由理论到实践的学习支架。 其亮点在于深度融合生命观念、科学思维与探究实践三大核心素养，如以“稀释涂布平板法”为例强化物质与能量观和结构功能观，用“啤酒工业化生产流程”对比传统工艺凸显科学思维中的比较与归纳能力，借助“精酿啤酒”案例开展辩证讨论体现态度责任。教学设计注重真实情境驱动，既提升学生解决实际问题的能力，又助力教师精准落实新课标要求。

课前背诵： 1.稀释涂布平板法的作用、计数的原理、计数原则？ 2.稀释涂布平板法和显微计数法对微生物计数产生的实验误差如何？ 3.在稀释涂布平板法中，为何需至少涂布3个平板？ 4.为什么要选取菌落稳定时的记录作为结果？ 5.为什么一般选择菌落数为30～300的平板进行计数？ 6.如何判断选择培养基是否具有选择作用？ 7.如何鉴别出选择培养基上能够分解尿素的细菌？ 8.分解纤维素的微生物的分离原理？ 9.玻璃器皿、培养基、接种环、涂布器的灭菌方式？ 10.K2HPO4、 KH2PO4的作用？ 11.分离降解蛋白质细菌的选择培养基的作用原理？ 12.选择适合计数的稀释度的原则？ 13.涂布接种前，取灭菌后的空白平板，培养一段时间的目的？ 1.在稀释涂布平板法中，为何需要涂布3个平板？ 思考 2.为什么一般选择菌落数为30～300的平板进行计数？ 3.为什么要选取菌落数目稳定时的记录作为结果？ 作为重复实验，统计时取平均值，以减少偶然因素对实验结果的影响，增强实验结果的说服力。 若平板上菌落数过多，说明稀释度过低，菌体的密度大，就会出现更多的两个或两个以上的菌体形成的菌落，结果不准确，且计数较困难。若平板上菌落数过少，菌落形成的偶然性大，结果也不准确。 尽量缩小统计的菌落数与实际活菌数的差值，因为繁殖慢的菌体开始看不出明显的菌落。 第3节 发酵工程及其应用 第1章 发酵工程 3 从社会中来 P22 青霉素的生产 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。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，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢? 发酵工程 发酵工程的形成 微生物纯培养技术的建立 密闭式发酵罐的设计成功 人们对发酵原理的认识 发酵工程形成 那么发酵工程的基本环节是什么呢？应用发酵工程能够生成哪些产品呢？ 发酵工程 指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 它涉及菌种的选育和培养，产物的分离和提纯等方面。（教材章前语） 一、发酵工程 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 基本环节： 6 7 01 发酵工程的基本环节 发酵工程： P1 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 是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。 基本环节： 二、发酵工程的基本环节 1.选育菌种 （1）目的： 获得_______________________ 性状优良的菌种 （2）菌种来源： 从自然界中筛选、________或____________________。 诱变育种 基因工程育种 （3）实例： 筛选产酸量高的 用来生产柠檬酸； 使用基因工程改造的 ，加速发酵、缩短生产周期； 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？ 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，这有利于发酵工程选育菌种。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，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败 黑曲霉 啤酒酵母 2.扩大培养 （1）目的： 获得___________ 更多的菌种 （2）原因： 工业发酵要想要在短时间内得到大量的发酵产物，则需要大量菌体，因此需要进行扩大培养。 3.配制培养基： ①在 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。 4.灭菌： 选择原料 反复试验 （1）灭菌原因： 发酵工程中所用的菌种大多是________，一旦有杂菌污染，可能导致_____________。 单一菌种 产量大大降低 （2）灭菌对象：________________都必须经过严格的灭菌； 培养基和发酵设备 二、发酵工程的基本环节 扩大培养的培养基一般为液体培养基 菌种确定 5.接种： 将__________的菌种投放到______中 发酵罐 扩大培养后 6.发酵罐内发酵 —发酵工程的中心环节 （1）要求： ①发酵过程中，要________培养液中___________、________等，以____________； ②要及时添加_______________，要严格控制_____、____和______等发酵条件； 随时检测 微生物数量 产物浓度 了解发酵进程 必需的营养物质 温度 pH 溶氧量 （2）严格控制发酵条件的原因： 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； ②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态 二、发酵工程的基本环节 （3）不同发酵条件的影响实例——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 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 （4）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 二、发酵工程的基本环节 二、发酵工程的基本环节 思考：引起发酵罐内培养液的温度和pH变化的原因有哪些？发酵工程中如何调节温度和pH? PH变化的主要原因： 培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。 温度升高的原因： ①微生物分解有机物释放的能量，会引起发酵温度升高； ②机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。 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。 ①温度：利用冷却水进行温度的调节。； ②pH：可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱； 7.分离、提纯产物 方法： ①发酵产品是 时，可在发酵结束之后，采用_____、_____等方法将菌体_____和_____； ②发酵产品是 时，可______________采取____的_____、_____和_____措施来获得产品； 过滤 沉淀 分离 干燥 根据产物的性质 适当 提取 分离 纯化 8.获得产品： 单细胞蛋白 味精 二、发酵工程的基本环节 微生物细胞本身 代谢物 微生物细胞本身 代谢物 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？ 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。 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 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和溶氧量等发酵条件，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 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 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； 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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。 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。 三、发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 （1）生产传统的发酵食品 实例1 —生产酱油 大豆 黑曲霉 蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸 淋洗、调制 酱油 实例2 —酿酒 谷物或水果 酿酒酵母 酒类 三、发酵工程的应用 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 冷却 消毒 终止 后发酵 过滤 一、过程概述： 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.先通气后密封： _________________________________ 7.密封不严，酒会变酸的原因： _________________________________ ； 啤酒的工业化生产流程 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 “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。 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 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。 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？ 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。 三、发酵工程的应用 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 （2）生产食品添加剂 ①食品添加剂的作用： ②实例1——柠檬酸 柠檬酸是一种食品酸度调节剂； 可以通过黑曲霉的发酵制得； ③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； 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 1.在食品工业上的应用 三、发酵工程的应用 （3）生产酶制剂 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； 1.在食品工业上的应用 三、发酵工程的应用 2.在医药工业上的应用 24 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 三、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 （1）生产微生物肥料 ①微生物肥料的种类： 根瘤菌肥、固氮菌肥 ②微生物肥料的作用： Ⅰ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； Ⅱ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. （2）生产微生物农药 ①微生物农药的作用机理： 利用微生物或其代谢物来防治病虫害 ②实例： 苏云金杆菌 防治80多种农林虫害。 白僵菌 防治玉米螟、松毛虫等虫害。 井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素） 防治水稻枯纹病。 ③防治类型： 生物防治 三、发酵工程的应用 （3）生产微生物饲料 ①原理： 微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快 ②实例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，即单细胞蛋白； 单细胞蛋白应用： 单细胞蛋白生产过程： 食品添加剂、微生物饲料； 单细胞蛋白成分： 不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质 ③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。 3.在农牧业上的应用 单细胞蛋白 三、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 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 （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 嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。 $