1.3发酵工程及其应用2025-2026学年高二生物同步备课优质课件（人教版2019选择性必修3）

该高中生物学课件聚焦发酵工程的基本环节及应用，以青霉素产业化生产为情境导入，通过问题链引导学生从生活实例过渡到理论，构建“选育菌种、发酵控制、分离提纯”的知识脉络，形成清晰的学习支架。 其亮点在于融合科学思维与探究实践，通过对比传统与现代发酵技术、分析啤酒工业化流程等实例，培养学生理性分析和解决问题的能力，同时强调环保处理等社会责任，助力学生形成生命观念，为教师提供丰富教学资源，提升教学效率与学生学习兴趣。

第3节 发酵工程及其应用 第1章 发酵工程 1 教学目标 TEACHING OBJECTIVES 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。 重难点： 发酵工程的基本环节、发酵工程的基本应用。 发酵工程的应用 2 发酵工程的基本环节 1 目录 CONTENT 情境：青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。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。 问题：在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 通过发酵工程生产。 从社会中来：P22 即利用 的特定功能，通过 ， 生产对人类有用的产品。 微生物 现代化工程技术 规模化 问：大规模生产发酵产品，即发酵工程的形成需要经历哪些基础条件？ ——阅读教材P22 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 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 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 从自然界中筛选（常规菌） 通过诱变育种或基因工程育种获得（工程菌） 目的→选出性状优良的菌种 发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。 例1：产谷氨酸的棒状杆菌→生产味精 例2：筛选产酸量高的黑曲霉→产柠檬酸 例3：基因工程改造的啤酒酵母 问：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.选育菌种： ①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖； ②产量高； ③发酵条件易控制； ④菌种不易变异、退化等。 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 2.扩大培养： 目的：快速增加菌种数量，确保充足的菌体参加发酵 怎样扩大培养？ 将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。 3.配置培养基： 配制培养基 ①根据菌种的 ，选择不同的材料配制培养基 ③培养基应包括微生物生长所需的__________________________及_____________。 碳源、氮源、水、无机盐 ④配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。 代谢类型 特殊营养要求 ②工业生产用的培养基通常是 。 液体培养基 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 4.灭菌 ①发酵工程所用的大多是 菌种；杂菌与菌种之间形成 关系使产量下降。 ②杂菌产生的 抑制菌种的生长使产量下降。 （2）_______和________都必须经过严格的灭菌。 发酵设备 培养基 种间竞争 代谢物 （1）为什么需要灭菌？ 单一 接种 5.接种 如：青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。 例如：谷氨酸的发酵生产在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 6.发酵罐内发酵 ——发酵工程的中心环节 微生物数量 产物浓度 ①对发酵进程的监控：要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的 、 等。 ②严格控制发酵条件： 及时添加必需的 组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多发酵产物。 控制_______、_____和________等。 营养物质 温度 pH 溶氧量 问：为什么要严格控制发酵条件？ 环境条件不仅影响微生物的生长繁殖， 且影响微生物代谢物的形成。 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 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 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 阀门 放料管 发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制，检测微生物数量、产物浓度，还可以进行反馈控制，及时添加必需的营养组分，使发酵全过程处于最佳状态。 6.发酵罐内发酵 培养物或营养物质的加入口 观察孔 取样管 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 温度传感器和控制装置 冷却水进入口 阀门 放料管 抽取样本进行检测 调节罐温 控制溶解氧 调节罐压 ①使微生物与发酵液混合均匀， ②加快O2的溶解以及散热 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 方法措施： 获得微生物细胞→ 获得代谢物→ 7.分离提纯产物 过滤、沉淀等 适当的提取、分离和纯化措施 问：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是成分复杂的混合物，一般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、过滤等方法来分离和提纯产物。 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法，进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 【拓展了解】提取代谢物的过程 注：根据产物性质采取适当提取、分离和萃取、蒸馏、离子交换等纯化措施 发酵液 预处理 细胞分离 细胞破碎 初步纯化 高度纯化 成品加工 细胞破碎分离 胞外产物 加热 调pH 沉降 离心 过滤 研磨 离心 萃取 过滤 沉淀 吸附 萃取 层析 电泳 结晶 离子交换 干燥 结晶 问：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？ 不能。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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。 选育菌种 扩大培养 灭菌 配制培养基 接种 发酵罐内发酵 分离提纯产物 获得产品 ①产物专一 ②生产条件温和 ③原料来源丰富且价格低廉 ④废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的特点： 2 发酵工程在食品工业上的应用 1.生产传统的发酵产品： 大豆蛋白质 小分子肽和氨基酸 酱油 霉菌（黑曲霉） 产生蛋白酶 淋洗、调制 谷物、水果 酒精+CO2 酵母菌 无氧条件 各种酒类 【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程 ①发芽：大麦种子发芽，释放 。 ②焙烤：加热杀死_______但不使淀粉酶失活。 ③碾磨：将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。 淀粉酶 种子胚 【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程 糖化罐 糖浆 啤酒花 接种 ④糖化: 水解形成糖浆。 ⑤蒸煮：产生风味组分，终止__的进一步作用，并对糖浆 。 ⑥发酵：酵母菌将糖转化为___________。 ⑦消毒：杀死啤酒中的大多数微生物，延长保存期。 ⑧终止：过滤、调节、分装啤酒出售。 冷却 过滤 淀粉 酶 灭菌 酒精和CO2 主发酵：酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。 后发酵：低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒 问1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？ 问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？ 问3.蒸煮时啤酒花的作用是什么？ “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。 使啤酒具有清爽的芳香气、苦味和防腐剂；稳定泡沫； 有利于麦芽汁的澄清；平衡麦芽汁的自然甜度并激发食欲。 若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 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。 讨论2.现在市面上流行“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？ “精酿”啤酒 “工业”啤酒 原料 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 长，可达2个月 短，通常7天左右 产量低、价格高 产量高、价格低 2.生产各种食品添加剂： 好处：增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质， 有时还可以延长食品的保存期。 添加柠檬酸的饮料 淀粉 黑曲霉 葡萄糖 柠檬酸 柠檬酸合成酶 淀粉酶 谷氨酸 棒状杆菌 谷氨酸 味精 有氧发酵 处理 添加剂的类型 举例 酸度调节剂 增味剂 着色剂 增稠剂 防腐剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸 5’-肌苷酸二钠、谷氨酸钠 β-胡萝卜素、红曲黄色素 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶 乳酸链球菌素、溶菌酶 3.生产酶制剂： 酶制剂：从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。 （1）来源： 少数由动植物生产，大多数通过发酵工程生产 （2）应用： 用于食品的直接生产、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量等方面。 （3）产品： α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。 1.生产抗生素： 如：应用产黄青霉生产青霉素， 用于治疗脑膜炎、骨髓炎、肺炎等。 2.生产多种氨基酸： 许多微生物都能产生氨基酸，发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。 4 发酵工程在医药工业上的应用 3.生产激素： 利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。 4.生产免疫调节剂： 如利用工程菌生产乙肝疫苗。 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 【拓展了解】基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合 如：各种抗生素 多种氨基酸 多种激素 多种免疫调节剂 思考：抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？ (1)某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死。 (2)微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。 (3)微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖。 1.生产微生物肥料： 作用：①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。 ②利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 利用微生物或其代谢物来防治病虫害。 5 发酵工程在农牧业上的应用 2.生产微生物农药： 例如：根瘤菌肥、固氮菌肥 生物防治 微生物农药防治 化学农药防治 防治机理 优点 缺点 利用微生物或代谢物 成本低、无污染，可以维持生态平衡 防治速度慢 利用化学药剂 见效快，操作简单 成本高，污染环境，不利于维持生态平衡 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。 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，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。 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。 6 发酵工程在其他方面的应用 1.解决资源短缺与环境污染问题 利用纤维废料发酵生产 、 等能源物质已取得成功。 2.将极端微生物应用于生产实践 极端微生物：能在极端恶劣环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。 酒精 乙烯 例如：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。 1.判断： (1)发酵工程的中心环节是选育菌种( ) (2)在连续培养过程中补充的同种培养液和空气须先灭菌( ) (3)发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成速度都与搅拌速度 有关( ) (4)发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种( ) (5)微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体( ) (6)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。( ) × √ × √ √ √ 污水池中污泥样品 初选 振荡培养若干天后 测定各瓶中化合物A的含量 接种 候选菌 接种 选择 接种 接种 固体 培养基 重复多次，直至获得目的菌。 【复习提高】某化工厂为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。 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。 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 。 筛选出可以降解化合物A的微生物 选择 显著降低 扩增 污水池中污泥样品 初选 振荡培养若干天后 测定各瓶中化合物A的含量 接种 候选菌 接种 选择 接种 接种 固体 培养基 重复多次，直至获得目的菌。 (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？ (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。 目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、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。 可行。 【课堂小结】 发酵工程的应用 发酵工程的基本环节： 发酵工程的特点 应用 食品 医药 农牧业：微生物饲料/微生物农药/单细胞蛋白 其他 啤酒的工业化生产 菌种选育、扩大培养 培养基配置和灭菌、接种 发酵罐内发酵（中心环节） 分离提纯产物 感谢观看! 2019人教版·生物·选择性必修3 30 Multimedia Cloud 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