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

第3节 发酵工程及其应用 【本节聚焦】 1.什么是发酵工程？ 2.发酵工程的一般流程是什么？ 3.发酵工程在生产上有哪些重要的价值？ 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，一瓶规格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？ 对发酵原理的认识 微生物纯培养技术建立 密闭式发酵罐设计成功 严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等) 大规模生产 发酵产品 微生物的特定功能 现代化工程技术 发酵工程的概念 利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 （P1） 一、发酵工程的基本环节 [活动1]阅读P22-23，结合图1-9，完成P23【思考.讨论】，掌握发酵工程的基本环节的具体内容。 选育菌种 性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。 [讨论1]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发酵条件容易控制 ④菌种不易变异、退化等 一、发酵工程的基本环节 选育菌种 扩大培养 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需扩大培养。 扩大培养的目的： 快速增加菌种数量 [思考]扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选什么培养基？ 液体培养基 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。 配制培养基 在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。 灭菌 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。 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。 接种 一、发酵工程的基本环节 发酵罐内发酵 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 (中心环节) [讨论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配方 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 ②对培养基和发酵设备进行严格灭菌 一、发酵工程的基本环节 分离、提纯产物 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，即可得到产品。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。 获得产品 发酵罐内发酵 选育菌种 扩大培养 配制培养基 灭菌 接种 (中心环节) [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、过滤等方法来分离和提纯产物。 在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、吸附和离子交换等方法，在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。最后都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 [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。 【例1】下列关于发酵工程的叙述,错误的是 (　　) A.发酵技术需要运用微生物的纯培养技术 B.发酵工程使用的培养基和发酵设备都必须严格灭菌 C.发酵工程的中心环节是菌种的选育 D.发酵产品可能是微生物细胞本身或代谢物             C 金版P22 D 金版P22 练一练 发酵工程生产产品的流程如图所示。回答下列问题： (1)性状优良的菌种可以从______中获取，随着技术的发展，也可以通过_________或___________等途径获得。 (2)发酵过程是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中的___________、_____等，以了解发酵进程。除了解发酵进程外，还要及时添加必需营养组分，要严格控制___________________(答出2点即可)等条件。 (3)如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用____________等方法将菌体分离和干燥，即可得产品。若产品是代谢物，可根据产物性质采取适当的_______________措施来获得产品。 (4)青霉菌在一定条件下可产生青霉素，青霉素具有杀菌的作用，有同学认为利用青霉菌发酵生产青霉素的过程中不必担心杂菌的污染，你是否认同这样的观点？_________。为什么？__________________________________________ _______________________________________________________。 自然界 诱变育种 基因工程育种 微生物数量 产物浓度 温度、pH和溶解氧 过滤、沉淀 提取、分离和纯化 不认同 因为青霉素只能杀灭部分杂菌，且某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉，因此生产青霉素的过程中也要防止杂菌污染 二、发酵工程的应用 发酵工程的特点 产物专一 生产条件温和 原料来源丰富且价格低廉 废弃物对环境污染小且容易处理 发酵工程的应用 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 （一）在食品工业上的应用 1.生产传统发酵产品 （是微生物最早开发和应用的领域） （1）酱油的生产 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 （2）各种酒类的生产 谷物或水果 酿酒酵母 各种酒类 啤酒的酿造 思考.讨论 啤酒的工业化生产流程 啤酒的工业化生产流程 P24【思考.讨论】 发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止 加啤酒花 冷却 过滤 主发酵 后发酵 酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。 在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。 [讨论1]与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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？ 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。 另一方面，这类产品是手工作坊生产的，存在啤酒品质不稳定，价格昂贵的问题。 （一）在食品工业上的应用 2.生产各种各样的食品添加剂 食品添加剂的作用： 不仅可以增加食品的营养，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 实例： ①柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得。 ②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作味精。 3.生产酶制剂 酶制剂 果胶酶 脂肪酶 α-淀粉酶 β-淀粉酶 氨基酸肽酶 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 （一）在食品工业上的应用 （二）在医药工业上的应用 ______________、_____________等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。 基因工程 蛋白质工程 原理：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；或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： 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未来还可能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。 ③利用基因工程改造的微生物生产疫苗。 （利用酵母菌生产乙型肝炎疫苗） （三）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。属于生物防治。 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 （四）在其他方面的应用 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 嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量 发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决 和 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。 我国发酵产品总量位居世界第一，我国是名副其实的发酵大国。 粮食、环境、健康 能源 金版P23 A 金版P23 C 练一练 P28【练习与应用】一、概念检测 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。（ ） × √ √ × 发酵工程 ①菌种纯、产量大、质量稳定； ②大规模生产、高度自动化控制 传统发酵技术 ①混合菌种 ②固体发酵、半固体发酵 ③家庭式、作坊式制作 练一练 P28【练习与应用】二、拓展应用 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。 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。 12.(2024·东莞)我国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H,以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液,含较多蔗糖)为原料,在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料,期望提高甘蔗的整体利用价值,工艺流程如下图所示。请据此回答问题。                   (1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率,可在液体培养基中将蔗糖作为　　　　　　,并不断提高其浓度,经多次传代培养(指培养一段时间后,将部分培养物转入新配的培养基中继续培养)以获得目标菌株。培养过程中宜采 用　　　　　 　　　法对样品中的活菌进行接种和计数,以评估菌株增殖状况。若某次取样中,对菌液稀释了1×105倍后,在每个平板上涂布菌液的体积为0.1 mL,平板上的平均菌落数为220个,则菌液中H菌的细胞数为 个/L。菌落数目需要每隔一段时间统计一次,选取菌落数目稳定时的记录作为结果,这样做的目的是 。  金版小本P12 唯一碳源  稀释涂布平板  2.2×1011 防止因培养时间不足而导致遗漏菌落 12.(2024·东莞)我国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H,以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液,含较多蔗糖)为原料,在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料,期望提高甘蔗的整体利用价值,工艺流程如下图所示。请据此回答问题。                   (2)发酵装置中搅拌器的作用是                               。  (3)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性,研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统,其培养基盐浓度设为60 g/L,pH为10,菌株H可正常持续发酵60 d以上。该系统不需要灭菌的原因是:                            。  金版小本P12 增加培养液中的氧含量(或增加溶解氧,或使空气和发酵液充分混合),使菌种和培养液混匀(或提高原料利用率) 杂菌因盐浓度过高导致失水过多而死亡,并且杂菌的酶会因pH过高而变性失活 1.某化工厂为了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，请分析回答问题。 （1）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。 （2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量 的培养液，接入新的培养中续培养，使目的菌的数量_______________。 筛选出可降解化合物A的微生物 选择 显著降低 扩增 复习与提高（P30） 四 （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 呈S形增长 复习与提高（P30） 四 （4）将目的菌用于环境保护实践时,还有哪些问题需要解决? 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 （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。 可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。 2.某个高温日，某校三位高中学生相约去吃冰激凌，之后两人都出现腹泻现象，于是他们怀疑冰激凌中的大肠杆菌含量超标。老师建议他们利用学过的有关微生物培养的知识对此冰激凌进行检测。经过一番资料查阅,他们提出了如下实验设计思路。 立即去卖冰激凌的小店再买一个同样品牌的同种冰激凌；配制伊红一亚甲蓝琼脂培养基（该培养基可用来鉴别大肠杆菌，生长在此培养基上的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽）、灭菌、倒平板；取10 mL刚融化的冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释,稀释倍数为1× 10~1×10 ；取每个浓度的冰激凌液各0.1 mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3个平板，一共培养18个平板;在适宜温度下培养48h，统计菌落数目。 复习与提高（P30） 四 （1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。 ①他们只打算对一个冰激凌进行检测，理由是：两个人吃过冰激凌后，都拉肚子了，所以再检测一个就足以说明问题。你同意这样的观点吗？为什么？ ①不同意。 只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。 复习与提高（P30） 四 ②有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？【提示：我国卫生部门规定了饮用水标准， 1mL自来水中细菌总数不可以超过100个（37 ℃培养24 h）， 1 000 mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个（37℃培养48 h）】 没有必要。根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。 ③他们认为，在用该方法统计菌落数目时不需要设计对照组,所以只准备培养18个平板。你认为在这项检测中是否需要对照组？为什么？ ③需要设置对照组。严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可以说明培养基是否被污染，后者可以说明该培养基能否培养出大肠杆菌。 （3）在完善实验设计思路后，三位同学进行了实验。培养结果显示，除了深紫色菌落，还有其他菌落存在，这说明了什么？如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量，则统计结果比实际值是偏多还是偏少？为什么？ 说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。 统计结果比实际值偏少。因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个茵落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。 复习与提高（P30） 四 Lavf55.33.100 【例2】(2024·广州)产黄青霉菌是一种好氧真菌,其生长繁殖的适宜温度是30 ℃,但在20 ℃的条件下才会大量合成并分泌青霉素。工业上采用玉米浆、棉籽饼等作为原料,通过合理设计,进行青霉素的生产。已知青霉素在碱性条件下易水解,下列叙述错误的是 (　　) A.要选育符合生产要求的产黄青霉菌,可采用诱变育种或基因工程育种等方法 B.发酵过程中需要对发酵罐及时加热或降温处理,还要及时调节pH、通入无菌空气 C.发酵过程采用单一菌种进行发酵,有助于提高青霉素的产量和品质 D.发酵结束后,应将发酵液进行离心取菌体并进行破碎处理,从中提取青霉素 Lavf57.83.100 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 【例3】发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到广泛应用,下列相关叙述错误的是　 (　　) A.发酵工程生产条件温和、原料来源广泛、产物混杂 B.在发酵工程中,黑曲霉可用来制作酱油和柠檬酸 C.酶制剂既可以通过动植物产生,也可通过发酵工程产生 D.发酵工程可将一些极端微生物用于生产实践 【例4】生物乙醇是化石汽油的良好替代品。我国利用农作物废弃物——秸秆代替粮食作为原料生产生物乙醇,其主要技术流程为酶解→酵母菌发酵→蒸馏→成品。下列分析错误的是 (　　) A.将秸秆作为原料使能量得到了更有效的利用 B.对秸秆进行酶解主要用的是纤维素酶 C.乳酸菌可以代替酵母菌用于生物乙醇的生产 D.“酵母菌发酵”环节需要严格控制发酵罐中的氧气供应 $