发酵工程为人类提供多样的生物产品-第2课时（教学课件）-2025-2026学年高中生物学浙科版（2019）选择性必修三

第三节

发酵工程为人类提供多样的生物产品第一章

发酵工程第2课时本章学习目标1.阐明使用无菌技术可获得纯净的微生物培养物。2.概述分离和纯化微生物的平板划线法和稀释涂布平板法。3.举例说明通过调整培养基的配方，可有目的地培养某种微生物。4.概述测定微生物数量的稀释涂布平板法和显微镜计数法。5.举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。从19世纪中期到20世纪30年代，发酵工业的生产一直停留在工艺简单、操作粗放、规模小、生产效率低下的水平上。第二次世界大战爆发后，对青霉素的需求量急剧增加，迫使人们尝试将传统的固体表面培养基改变为液体深层培养。为解决深层培养对无菌、通气、混合的需求，开发出了可通入无菌空气、采用机械搅拌的密封式发酵罐，使发酵所需的占地面积、劳动强度、能量消耗都大大减少，青霉素的产量大幅提高。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品微生物工业发酵的基本过程从自然界中筛选、___________或_____________________。1.选育菌种（1）目的：保证菌种健壮旺盛的生命力。减少菌种传代次数能减小自发突变的概率。（2）菌种来源：诱变育种基因工程育种菌种来源关键点实例从自然界中筛选诱变育种基因工程育种筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期5个条件：（1）高产菌种；（2）培养基来源充足且廉价；（3）发酵产物易分离；（4）菌种对环境没有明显或潜在危害（5）菌种的遗传特性和生产能力稳定。若生产的是微生物不能合成的产品，可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品2.活化从冻存管或斜面挑取菌种，接种至固体斜面或液体培养基，在适宜温度下静置培养（如细菌37℃,24小时）。解冻3.扩大培养满足大规模生产的需要。（1）目的：获得______________，缩短生产周期。更多的菌种（2）怎样对菌种进行扩大培养？将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。（3）扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？液体培养基。可以使微生物与营养物质充分接触，提高营养物质的利用率，有利于微生物的繁殖。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品3.扩大培养（一般采用液体培养基）（1）在生产实践中，培养基的配方要经过____________才能确定。反复试验培养基来源充足且廉价，被转化的效率高。（即不断优化培养基（成分、比例等））（2）配置的培养基应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求。（3）应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品（1）灭菌目的：原因：杂菌和菌种形成竞争关系，或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降，对发酵过程造成不良影响（2）如何防止杂菌污染？_____________________都必须经过严格的灭菌。培养基和发酵设备避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量（接种）将_____________的菌种投放到___________中发酵罐扩大培养后3.扩大培养（灭菌）发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品4.进一步扩大培养在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，让它们达到一定数量再进行接种，这样可以缩短菌种在发酵罐中发酵的时间。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品划线接种培养物或营养物质的加入口视窗取样管电动机排气管pH检测及控制装置冷却水排出口冷却夹层发酵液搅拌叶轮生物传感器装置无菌空气温度传感器和控制装置冷却水进入口阀门收获（产物出口）抽取样本进行检测调节罐温（放气）调节罐压使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热控制溶解氧方法：①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用_____、_____等方法将菌体_____和_____。②发酵产品是代谢物时，可__________________采取_____的_____、_____和_____措施来获得产品（萃取、蒸馏、离子交换）过滤沉淀分离干燥根据产物的性质适当提取分离纯化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发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品思考：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？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，或仅采用简单沉淀、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。5.代谢产物和细胞的分离思考：发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理?二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品5.代谢产物和细胞的分离（1）真空发酵是对发酵罐减压，使易挥发的发酵产物从发酵液中分离出来的技术。例如，酵母菌在发酵液的酒精浓度达到11.4%时不能再产酒精。在发酵罐上施以负压，酒精从发酵液中挥发出来，酒精发酵速率就由原来的7.0g/(l·h）提高到40g/（l·h）。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品5.代谢产物和细胞的分离（2）吸附发酵是在发酵过程中加入对发酵产物具有特异性或非特异性吸附作用的吸附剂，从而使产物从发酵液中分离出来的技术。例如，当pH低于5.0时，乳酸发酵受到抑制，在发酵液中加入离子交换树脂不仅能使产物乳酸及时脱离发酵液，还能起到调节发酵液pH的作用。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品5.代谢产物和细胞的分离（3）萃取发酵是回收和分离生物产物的一项技术，即当两种水溶性高分子聚合物在同一水溶液中各自达到一定浓度后，会互不相溶形成两相系统，不同的生物产物会分配在不同的相中，通过相的分离就可以实现对发酵产物的分离。例如，采用双水相萃取发酵产物α-淀粉酶时，淀粉酶被萃取到上相中，而发酵过程中同时产生的蛋白酶被萃取到下相中，避免了蛋白酶对淀粉酶的分解。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品(1)在食品工业上的应用生产各种各样的食品添加剂。作用：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。淀粉黑曲霉淀粉酶葡萄糖柠檬酸合成酶柠檬酸谷氨酸棒状杆菌发酵氧气谷氨酸处理味精添加了柠檬酸的饮料发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品(1)在食品工业上的应用③生产酶制剂b.来源：少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产c.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。d.产品：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂。探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合发酵工程生产的药物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(2)在医药工业上的应用通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品(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。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品（2）生产微生物农药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微生物农药作为_________的重要手段生物防治微生物或代谢产物防治病虫害种类苏云金杆菌80多种农林害虫白僵菌玉米螟、松毛虫一种放线菌产生的抗生素（井冈霉素）水稻枯纹病(3)在农牧业上的应用发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品微生物农药防治和化学农药防治的比较项目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进行防治成本低、无污染，可以维持生态平衡防治速度慢利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治见效快，操作简单成本高，污染环境，不利于维持生态平衡(3)在农牧业上的应用发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品（3）生产微生物饲料①原理：微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%~80%,而且细菌生长繁殖速度很快。②实例1——单细胞蛋白单细胞蛋白生产过程：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单细胞蛋白应用：可以作为食品添加剂、微生物饲料等。其中微生物饲料能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。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。发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品(3)在农牧业上的应用扩大培养扩大培养灭菌温度溶解氧从自然界选育、诱变育种或基因工程获得。增加“种子”数量，利于发酵成功，利于缩短发酵进程。（包括培养基和发酵设备）（还测量：营养物质、产物浓度）课堂小结随堂小测1.如图是某工厂酿造黄酒的工艺流程图，①~④表示部分环节，下列叙述正确的是(

)A.①②④需要进行灭菌处理B.③④是该工艺的核心环节C.②形成的糖浆可为微生物发酵提供碳源D.③需通入氧气以促进混合菌种的繁殖答案：C解析：A、①淀粉液化、②淀粉糖化环节需要进行灭菌处理，但④发酵后处理是对发酵完成的黄酒进行过滤、澄清等操作，不需要灭菌，A错误；B、该工艺的核心环节是③黄酒发酵，④发酵后处理只是后续的纯化和整理步骤，并非核心，B错误；C、②淀粉糖化产生的糖浆主要成分为葡萄糖，可为酿酒酵母和植物乳酸杆菌等微生物提供碳源，C正确；D、③黄酒发酵主要依赖酿酒酵母的无氧呼吸产生酒精，若通入氧气会抑制酒精发酵，因此发酵过程中需保持无氧环境，D错误。故选C。随堂小测2.用如图所示发酵装置进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是(

)A.夏季生产果酒时，需常对发酵罐体进行降温处理B.发酵过