1.3 发酵工程及其应用（2课时）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基本环节及应用展开，以青霉素发现与产业化案例导入，通过“从社会中来”提问引导学生思考工业生产过程，衔接传统发酵技术到现代发酵工程的发展脉络，搭建知识学习支架。 其亮点在于结合科学思维与探究实践，设置思考讨论、使命练习等互动环节，如对比发酵工程与传统发酵技术的改进，通过案例分析培养学生分析解决问题的能力。采用表格对比、实例解析等学科特色方法，帮助学生构建生命观念，教师可提升教学效率，学生能增强知识应用与责任意识。

1.3 发酵工程及其应用 2026/3/22 弗莱明 二战时期 偶然发现霉菌周围无葡萄球菌 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，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，一瓶规格160万单位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？ 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 从社会中来 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 发酵工程的基本环节 一、发酵工程的基本环节 5 1.选育菌种 （1）目的： 获得_______________________ 性状优良的菌种 （2）菌种来源： ①从自然界中筛选 ②诱变育种 ③基因工程育种 （3）实例： 生产柠檬酸 生产啤酒 生产谷氨酸 （味精的主要成分） 产酸量高的黑曲霉 基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期 谷氨酸棒状杆菌 一、发酵工程的基本环节 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的比值也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。 2026/3/22 菌种选育常用方法的比较 育种类型 原理 方法 优、缺点 诱变育种 基因工程 基因突变 基因重组 物理、化学、生物因素诱变 将目的基因导入受体细胞，构建工程细胞或工程菌 能大幅度改良某些性状，操作简便，但具有很大的盲目性 能定向改变微生物的遗传性状，但操作过程复杂，要求高 一、发酵工程的基本环节 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 一、发酵工程的基本环节 工业发酵要想在短时间内得到大量的发酵产物，应该怎么办？ 发酵罐体积一般为几十立方米到几百立方米VS细菌多为几微米 扩大培养的培养基类型？ 2.扩大培养 讨论 需要大量菌体，因此需要进行扩大培养 液体培养基 一、发酵工程的基本环节 3.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 4.灭菌： 目的和原因： 防止杂菌污染，发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，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。 例如：在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。 一、发酵工程的基本环节 5.接种： 将扩大培养的菌种投放到发酵罐中。 一、发酵工程的基本环节 6.发酵罐内发酵 发酵工程的中心环节 随时了解发酵进程： 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。 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 原 因 （1）要求： 一、发酵工程的基本环节 2026/3/22 （2）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 6.发酵罐内发酵 （3）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 一、发酵工程的基本环节 电动机D1 排气管C3 pH计B3 冷却水排出口C2 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮D2 生物传感器装置B4 空气入口A4 放料管A2 A3 阀门 A1培养物或营养物质的加入口 B1观察孔 B2取样管 B5温度传感器和控制装置 C1冷却水进入口 发酵条件包括温度、pH、溶解氧、通气量等： 发酵条件及相应的调节和控制方法： 6.发酵罐内发酵 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：可通过向冷却夹层通入冷水 ②pH：可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱； 一、发酵工程的基本环节 2026/3/22 7.分离、提纯产物 方法： ①如果发酵产品是微生物细胞本身，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。 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。 8.获得产品 一、发酵工程的基本环节 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？ 要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养成分。 【思考·讨论】 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 【思考·讨论】 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。 【思考·讨论】 随堂练习 In-class practice 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 √ 2.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是 A.菌种选育是发酵工程的中心环节 B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就能保证发酵的正常进行 C.在发酵过程中，要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵 　条件，否则会影响菌种代谢产物的形成 D.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但 　是不影响微生物的代谢途径 √ 结合刚刚的分析，思考发酵工程相比传统发酵技术，有什么优点？ 发酵工程的优点：(P24) 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。 【思考·讨论】 1.在食品工业上的应用 （1）生产传统的发酵食品 如：用大豆来生产酱油产品。谷物或水果生产各种酒类。 大豆 （蛋白质) 黑曲霉 （蛋白酶） 小分子的肽和氨基酸 酱油 淋洗、调制 谷物或水果 酿酒酵母 酒类 二、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 二、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； 1.在食品工业上的应用 二、发酵工程的应用 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：__________________________________。 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 6.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。 酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。 7.后期密封不严，酒会变酸的原因： 【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程 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。 大麦发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 主发酵 冷却 消毒 终止 后发酵 过滤 【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程 26 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? 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，都有助于提高啤酒的产量和品质。 【思考·讨论】啤酒的工业化生产流程 2.在医药工业上的应用 （1）采用基因工程的方法，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 实例： ①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素； ②利用基因工程改造的微生物生产疫苗。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。如某种乙型肝炎疫苗的生产。 （2）直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品 实例：青霉素高产菌株的培育 ③未来利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物； 二、发酵工程的应用 （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 二、发酵工程的应用 3.在农牧业上的应用 （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 二、发酵工程的应用 解决资源短缺和环境污染问题 （生产酒精、乙烯等能源物质） 对极端微生物的利用 （嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂 嗜低温菌提高热敏性产品的产量） 4.在其他方面的应用 二、发酵工程的应用 1d27c1cd-2e6f-4432-a132-9f82b952113e.source.default.zh-Hans 31 食品工业 医药工业 生产传统发酵食品 农牧业 其他方面 生产食品添加剂 发酵工程应用 生产酶制剂 采用基因工程的方法，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，再通过发酵技术大量生产所需要的产品 生产微生物肥料 生产微生物农药 生产微生物饲料 解决资源短缺与环境污染问题 将极端微生物应用于生产实践 2026/3/22 【小结】   发酵工程 传统发酵技术 不 同 点 菌种 通过微生物 技术筛选或其它技术生产的优良菌种，大多 是 菌种 原材料中天然存在的 菌种 发酵方式 发酵为主 固体发酵或__________发酵为主 对发酵条件的控制 严格_____操作，防止杂菌污染。通过 技术对发酵条件精确地控制，使发酵条件处于最佳状态。 不是无菌操作，容易受到 ， 污染。对发酵条件不能严格控制，易受 影响。 生产规模和产品 生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本_____，产物_____，产量_____。 通常是 或作坊式的，产量低。生产往往受 和原料限制。产品风味品种比较_____，质量 。 相同点 都是利用了__________的作用 联系 发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的 纯培养 单一 混合 液体 半固体 无菌 现代工程 杂菌 外界条件 低 多样 高 家庭式 季节 单一 不稳定 微生物 【小结】 (1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌( ) (2)谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行( ) (3)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺( ) (4)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( ) × × √ × (5)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。( ) (6)目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的。( ) (7)现在已经可以通过微生物生产紫杉醇。( ) (8)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体。( ) × × × √ 随堂练习 In-class practice 随堂练习 In-class practice 1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。判断下列相关表述是否正确。 (1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵（ ） (2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ ） (3)在发酵工程的发酵环节中,发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。（ ） (4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ） × √ √ × 一、概念检测 随堂练习 In-class practice 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。 二、拓展应用 随堂练习 In-class practice 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。 Lavf59.6.100 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $