1.3 发酵工程及其应用-2025-2026学年高二生物优质备课课件（人教版选择性必修3）

复习回顾： 1.实验室筛选微生物原理：人为提供_ ______________的条件 （包括_____、_____和_____等），同时_______________________ 有利于目的菌生长 抑制或阻止其他微生物的生长 营养 温度 pH 2.为什么不能利用平板划线法进行培养计数？ 平板划线法最开始的划线细菌可能会长成一片，导致无法计数，此外灼烧接种环的时候也会杀死一部分细菌。 3.稀释涂布平板法统计的细菌的数目与它的实际数目相同吗？为什么？ 往往比活菌的实际数目少，这是因为当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落。 4.计数板计数法缺点是？ 5.如何判断选择培养基是否具有选择作用？ 不能区分死菌和活菌→偏大 接种的选择培养基和接种的牛肉膏蛋白胨培养基作为对照，来判断选择培养基是否具有选择作用 情境导入 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”。其发现者亚历山大·弗莱明（英国1881-1955。青霉素之父）在1945年获诺贝尔生理学医学奖。 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（微生物工程） 第1章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 学习目标： 1.掌握发酵工程的基本环节。 2.理解发酵工程在农业、食品工业、医药工业及其他工业生产上有重要的应用价值。 4 预习自测 (1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯(　　) (2)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率(　　) (3)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理(　　) (4)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌(　　) (5)单细胞蛋白是通过发酵产生的大量的微生物分泌蛋白（ ） × × × × × 发酵罐内发酵 单一菌种 污染小，易处理 黑曲霉 微生物菌体 探究一.发酵工程的基本环节 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。 利用微生物，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、产物的分享和提纯等方面。 发酵工程（微生物工程） 特点： 1）菌种纯、产量大且质量稳定； 2）高度自动化控制 。 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。 传统发酵技术 基础： 1）微生物纯培养技术的建立 2）密闭式发酵罐的成功设计 探究一.发酵工程的基本环节 1、发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 接种 灭菌 配制培养基 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 探究一.发酵工程的基本环节 选育菌种 产柠檬酸量高的黑曲霉 基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程，缩短生产周期 获得__________________ 性状优良的菌种 （2）菌种来源： （3）实例： ——菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。 ①自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 （1）目的： 思考1：发酵工程选用的菌种时需要考虑哪些因素？ ①大量高效合成目的产物(副产的少)；②菌种遗传特征稳定、耐受力强；③能在低成本的培养基上快速生长繁殖； ④发酵条件易控制 。 探究一.发酵工程的基本环节 扩大培养 （1）目的： （2）原因： （3）培养基类型： 获得_______________ 更多的菌种 工业发酵要想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。 液体培养基 液体使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。 发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米。 思考2：菌种扩大培养的最佳时期？ 将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。 探究一.发酵工程的基本环节 配制培养基 ①根据菌种的代谢特点，选择不同的材料配制培养基。 ②配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 优化培养基设计（成分、比例等） 灭 菌 目的： 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是单一菌种。一旦有杂菌污染，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。 探究一.发酵工程的基本环节 接 种 将 的菌种投放到 中。 发酵罐 扩大培养后 发酵罐发酵 —发酵工程的中心环节 （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。 谷氨酸发酵 （3）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 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 探究一.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 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加快O2的溶解以及散热。 (4)发酵条件及相应的调节和控制方法： 探究一.发酵工程的基本环节 分离、提纯，获得产品 1）如果发酵产品是微生物细胞本身，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得到产品。 2）如果产品是代谢物，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。 思考3：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。可能污染环境。要二次清洁或灭菌处理。 探究二.发酵工程的应用 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 产物专一 废弃物对环境污染小和容易处理 发酵工程的特点 在食品工业上的应用 在医药工业上的应用 在农牧业上的应用 在其他方面的应用 发酵工程的应用 探究二.发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统发酵产品 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 酱油的生产 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 各种酒类的生产 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：___________________________________________________________。 思考·讨论 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 二、讨论 1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ 2.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。 探究二.发酵工程的应用 （2）生产各种各样的食品添加剂 添加剂类型 酸度调节剂 增味剂 着色剂 增稠剂 防腐剂 添加了柠檬酸的饮料 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 食品添加剂的作用 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； 实例 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； 实例2——味精 探究二.发酵工程的应用 （3）生产酶制剂 食品直接生产 改进生产工艺 简化生产过程 提高产品产量 延长食品储存期 改善产品的品质 和口味 酶制剂的作用 酶制剂 果胶酶 脂肪酶 α-淀粉酶 β-淀粉酶 氨基酸肽酶 探究二.发酵工程的应用 2.在医药工业上的应用 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 探究二.发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 (1)生产微生物肥料 利用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、增强植物抗病性和抗逆性。 （2）生产微生物农药 利用微生物或其代谢物来防治病虫害。 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 （3）生产微生物饲料 以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体。 ——单细胞蛋白 探究二.发酵工程的应用 4.在其他方面的应用 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、 健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 1.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 2.对极端微生物(生活在高温、高压、 高盐和低温环境) 的 利用 利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂 网络构建 发酵工程 发酵工程的基本环节 发酵工程的应用 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 食品工业上的应用 医药工业上的应用 农牧业上的应用 其他方面的应用 发酵工程的特点 练习与应用 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生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？ 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。 练习与应用 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。 Lavf58.51.100 $