1.3发酵工程及其应用课件+2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第1章

第3节

发酵工程及其应用

发酵工程是指利用微生物的特定功能，规模化生产人类所需产品的综合性生物工程。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面

发酵工程的基本环节包括：

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、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节（一）菌种选育某镇特产一种美酒，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？——菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。菌种来源：任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：自然界中、诱变育种、基因工程育种一、发酵工程的基本环节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？任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：（一）菌种选育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。一、发酵工程的基本环节P23（二）扩大培养扩大培养所用的培养基，从物理性质上分类，是什么类型的培养基？扩大培养有何目的？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。扩大培养目的：增加菌种的数量，缩短生产周期。任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：一、发酵工程的基本环节（三）配制培养基①

结合菌种代谢特点，选择原料制备培养基；

②

在生产实践中，培养基的配方要经过反复实验才能确定（即不断优化培养基）；发酵工程种所用的菌种大多是____________，一旦有杂菌污染，可能导致_________________单一菌种品质、产量大大降低任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：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。（四）灭菌一、发酵工程的基本环节电动机D1排气管C3pH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A2A3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冷却水进入口装置编号主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养控制溶解氧通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测。通过控制冷水流速调节罐温调节罐压电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。（五）接种一、发酵工程的基本环节（六）发酵罐内发酵—中心环节思考1：与传统发酵技术相比，现代发酵工程使用的发酵罐的优点是什么?

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任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：一、发酵工程的基本环节思考2：为什么要严格控制发酵条件？（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；例如谷氨酸发酵：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（2）严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：（六）发酵罐内发酵—中心环节一、发酵工程的基本环节思考3：怎样对发酵条件进行调控以满足微生物生长的需要？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组分。任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：（六）发酵罐内发酵—中心环节一、发酵工程的基本环节P23思考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。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备,达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：（六）发酵罐内发酵—中心环节一、发酵工程的基本环节P23（七）分离、提纯产物

思考5：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。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。任务一：自主阅读教材P22-23页，分析基本环节：一、发酵工程的基本环节P23【归纳】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；一、发酵工程的基本环节任务二：自主阅读教材P24-27页的内容，完成下列表格。

具体应用成果食品工业

传统的发酵产品

酱油（霉菌）、酒类（酿酒酵母）医药工业食品添加剂酶制剂基因工程的方法或直接改造菌种柠檬酸（黑曲霉）、谷氨酸（谷氨酸棒状杆菌）淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等生长激素释放抑制激素青霉素乙型肝炎疫苗二、发酵工程的应用

具体应用成果农牧业微生物肥料微生物农药微生物饲料其他方面解决资源短缺和环境污染问题对极端微生物的利用根瘤菌肥、固氮菌肥（根瘤菌和固氮菌）多种农林虫害（苏云金杆菌）、玉米螟和松毛虫（白僵菌）、水稻枯纹病（井冈霉素）淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等通过发酵获得微生物菌体，即单细胞蛋白酒精、乙烯等能源物质（纤维废料发酵）洗涤剂（嗜热菌、嗜盐菌）任务二：自主阅读教材P24-27页的内容，完成下列表格。二、发酵工程的应用思考：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，并对糖浆灭菌思考·讨论啤酒的工业化生产流程发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵冷却消毒终止过滤思考·讨论啤酒的工业化生产流程啤酒的工业化流程思考:：6.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？7.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”：酵母菌进行无氧呼吸（酒精发酵)产生酒精。酒精在醋酸菌的作用下产生醋酸。结合啤酒的工业化生产流程，思考并讨论P25问题：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。二、发酵工程的应用结合啤酒的工业化生产流程，思考并讨论P25问题：

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?

应该辩证地看待这一产品。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式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。二、发酵工程的应用练习与应用一、概念检测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。()x√√x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：血红蛋口具有携带O2的能力)(2)

在发酵过程中，总有头抱霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头抱霉素的合成过程中，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青霉素.或者只生产头抱霉素呢？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。

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。调査显示，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一风险。学生通过査找资料可以知道，这一风险是存在的。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。复习与提高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，请分析冋答问题。(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。

筛选出可以降解化合物A的微生物

选择复习与提高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，请分析冋答问题。(2)

培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量

的培养液，接入新的培养液中连续培养，使目的菌的数量

。

显著降低扩增复习与提高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，请分析冋答问题。(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型增长复习与提高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，请分析冋答问题。(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都需要研究清楚后，才能进行实践。

复习与提高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，请分析冋答问题。(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)

下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是

。(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？B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菌落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。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10mL刚融化的冰激凌作为原液，

然后进行梯度稀释，稀释倍数为1x10〜1X105；取每个浓度的冰激凌液各0.1mL，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。(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？②

有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？【提示：我国卫生部门规定的饮用水标准是：1mL自来水中细菌总数不可以超过100个(37℃培养24h),1000mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个(37℃培养48h)］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？①不同意。提示：只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。②没有必要。提示：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。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方案。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。(4)

如果实验结果显示，检测的冰激凌中大肠杆菌含挝超标了。接下来他们应该做什么？应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。1.诏安青梅以果大、皮薄、肉厚而驰名中外。青梅可用于制作果酒、果醋，图1为制作青梅果酒的简易装置图。青梅果肉含糖量低，制作果酒时需在青梅果浆中添加白砂糖，图2为添加的白砂糖浓度对酒精度和果酒感官评分的影响。据图回答问题：(1)利用青梅进行酒精发酵时，其作用的菌种为

，家庭酿制青梅果酒时不需另外添加菌种，其原因是

。(2)在青梅果酒发酵过程中，图1装置中的气阀a应处于

（“打开”/“关闭”）状态，气阀b要通过一个长而弯曲的胶管与瓶身连接，目的是

。(3)从图2可看出，青梅果酒酿制时果浆中初始糖度约为

时效果最佳。果酒发酵后期可接种醋酸菌继续发酵成果醋，请写出此过程果醋发酵的反应式

。

酵母菌青梅表皮上附有酵母菌关闭避免空气中其他微生物进入发酵装置20%C2H5OH+O2CH3COOH+H2O+能量酶2.物质S是一种广谱性有机杀菌剂，对多种作物由真菌引起的病害有防治效果，在我国的使用范围广，但其残留能引起肝病和染色体畸变。某科研小组从长期受物质S污染的土壤