1.3发酵工程及其应用 课件高二下学期生物人教版选择性必修3

1.3发酵工程及其应用本节聚焦:什么是发酵工程？发酵工程的一般流程是什么？发酵工程在生产上有哪些重要的价值？1青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命。早期科学家只能从青霉菌中提取少量，价格贵如金。从社会中来

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。

在工业上，青霉素是怎样生产的？通过发酵工程生产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现代化工程技术利用微生物的特定功能发酵工程的概念发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。接种选育菌种制备培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品发酵工程的基本环节①选育菌种的目的？菌种来源？②扩大培养的原因？怎样扩大培养？③为什么要灭菌？1.选育菌种P22（1）目的：获得_______________________性状优良的菌种（2）菌种来源：从自然界中筛选、________或____________________。诱变育种基因工程育种（3）实例：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；一、发酵工程的基本环节(2021·广东高考真题)中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。工艺流程如图。此外，选育优良菌株的方法还有________________________等。(答出两种方法即可)诱变育种、基因工程育种P22旁栏思考题某镇特产一种美酒，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，因此菌种选育环节很大程度上決定了生产发酵产品的成败。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？思考·讨论P23在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。发酵工程的基本环节一、发酵工程的基本环节选育菌种扩大培养①扩大培养的原因：快速增加菌种的数量，缩短生产周期。②怎样扩大培养？将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。2.扩大培养P22③从物理性质上，扩大培养一般选

培养基进行培养。液体

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。选育菌种扩大培养配置培养基灭菌接种发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品②②①配置培养基要遵循的原则：根据菌种的代谢类型，选择不同的材料配制培养基。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配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。一、发酵工程的基本环节3.配置培养基P23①发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。②灭菌的原因：杂菌与菌种之间形成种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长或分解菌种的代谢物使产量下降。一、发酵工程的基本环节灭菌对象：培养基和发酵设备4.灭菌P23思考:为什么要灭菌？实例：在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。③灭菌的目的：防止杂菌污染而影响产品的质量和品质。选育菌种扩大培养配置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5.接种P23将____________的菌种投放到________中发酵罐扩大培养后思考1：为什么要严格控制发酵条件？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。实例：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。2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？①随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等。②及时添加必需的营养物质组分。③通过计算机控制系统，对大型发酵罐内的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量和营养等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖。发酵工程的中心环节6.发酵罐内发酵P23温度排气管进入口排出口空气发酵罐示意图：抽取样本进行检测调节罐温控制溶解氧含量不断搅拌的目的：调节罐压①使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率；②加快O2的溶解；③散热。课堂随练1.右图是发酵工程常用的发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题。(1)在发酵前，常用

法对整个发酵罐进行灭菌，为保证该过程的实施，整个发酵罐必须是

的。(2)在发酵过程中，电动机不停带动搅拌叶轮转动，这样做的目的是

。

(3)冷却水是为了带走微生物进行

产生的热量，以维持发酵液温度的稳定，若温度过高，会影响微生物

，导致不能产生相应代谢产物，甚至死亡。湿热灭菌/高压蒸汽灭菌密封

增加溶解氧，让微生物与营养物质充分接触，提高营养物质的利用率细胞呼吸

酶的活性电动机排气管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放料管阀门培养物或营养物质的加入口观察孔取样管温度传感器和控制装置冷却水进入口选育菌种扩大培养配置培养基灭菌接种发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品②②发酵产物类型获得产品的方法微生物细胞代谢物过滤、沉淀等方法适当的提取、分离和纯化措施分离、提纯产物的方法措施：一、发酵工程的基本环节7.分离、提纯产物P233.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。发酵工程的基本环节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。思考·讨论P23

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排放，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。一.发酵工程及其应用1.发酵工程的基本环节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？2.利用发酵工程可将人类活动产生的大量废纸和玉米、麦草的秸秆等纤维废料转化为新的资源——燃料乙醇，这对解决资源短缺及环境污染均具有重要意义。下图是利用微生物由纤维素生产乙醇的基本工艺流程，请回答问题：(1)自然界中①环节所需微生物大多分布在富含纤维素的环境中，从土壤中筛选目的菌需要使用以________为唯一碳源的培养基，这种培养基从功能上属于______培养基。选育得到性状优良的目的菌，在进行工业发酵之前还需对菌种进行____________。纤维素选择扩大培养(2)②获得的是________酶，产生该酶的微生物在生态系统中作为分解者起作用。(3)可以满足④环节的常见菌种X是__________，为了确保获得产物乙醇，⑤环节应注意____________，④过程要注意避免_____________。纤维素酵母菌发酵装置密闭杂菌污染从自然界筛选诱变育种基因工程育种菌种选育扩大培养原料配制培养基发酵罐内发酵接种灭菌分离提纯微生物细胞（菌体）代谢产物产品温故：发酵工程的基本环节过滤、沉淀等方法适当的提取、分离和纯化措施1.发酵工程的优点：

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。二.发酵工程的应用发酵工程的优点：产物专一原料来源丰富且价格低廉生产条件温和废弃物对环境的污染小和容易处理2.发酵工程的应用二.发酵工程的应用(1)在食品工业上的应用①生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类大豆中的蛋白质小分子肽和氨基酸酱油黑曲霉(蛋白酶)淋洗、调制各种谷物、水果酿酒酵母各种酒类发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵主发酵冷却大麦种子发芽，释放淀粉酶。加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。淀粉分解，形成糖浆（葡萄糖）产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。酵母菌将糖转化为酒精和CO2。杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。消毒终止后发酵过滤过滤、调节、分装啤酒进行出售。发酵工程的应用在食品工业上的应用啤酒的工业化生产流程:在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。酵母菌繁殖、大部分糖分解和代谢物生成。讨论1．与传统的手工发酵相比，在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？接种单一高质量纯种、严格的消毒灭菌措施、培养基营养物质协调、严格的发酵条件控制等，都使啤酒的产量和质量明显提高。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，“精酿”啤酒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。课堂随练某酒厂以大米为主原料，利用酵母菌发酵生产米酒，其主要工艺流程如下:试就生产过程回答下列问题。(1)糖化阶段主要包括蒸煮大米及加人“糖化酶"等，“糖化酶”应包括的主要酶类有

，糖化酶使(大米中)淀粉发生的主要变化是

。(2)发酵阶段主要在5m3的发酵罐中进行，主要工艺为：加料(糖化后的米浆)→接种菌种(主要为酵母菌)→通气培养→密封发酵。接种后先通气培养的主要目的是

。在接种时常加入尿素或其他氮肥，其目的是

。淀粉酶和麦芽糖酶淀粉→麦芽糖→葡萄糖使酵母菌进行有氧呼吸，能量更充足而迅速繁殖提供菌种生长所需要的氮元素糖化发酵后加工（勾兑、储运等）课堂随练某酒厂以大米为主原料，利用酵母菌发酵生产米酒，其主要工艺流程如下:试就生产过程回答下列问题。(3)在酿酒业中,为了保持酒的风味不变，应让酵母菌进行

(填“无性生殖”或“有性生殖”)，这是利用了

；为了研制新酒，应让酵母菌进行

(填“无性生殖”或“有性生殖”)，这是利用了

。无性生殖无性生殖能保持亲本性状的稳定性有性生殖后代有较大的变异性有性生殖糖化发酵后加工（勾兑、储运等）（4）啤酒生产中，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？酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。发酵工程的应用在食品工业上的应用2.生产各种各样的食品添加剂P25添加剂类型酸度调节剂增味剂着色剂增稠剂防腐剂添加了柠檬酸的饮料增加食品的营养（营养强化剂才有，如添加维生素、矿物质、氨基酸等）改善食品的口味、色泽和品质延长食品的保存期食品添加剂的作用黑曲霉发酵谷氨酸棒状杆菌发酵发酵工程的应用在食品工业上的应用3.生产酶制剂P26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提高产品产量酶制剂的作用酶制剂果胶酶脂肪酶α-淀粉酶β-淀粉酶氨基酸肽酶发酵工程的应用（2）在医药工业上的应用P26基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合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获得具有药物生产能力的微生物大量生产所需产品疫苗用于生产各种抗生素、多种氨基酸、激素、免疫调节剂等微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的

、

等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。如：利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥。有的微生物肥料还能抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害发生。(3)在农牧业上的应用P27生产微生物肥料有机酸生物活性物质发酵工程的应用利用微生物的代谢产物微生物农药是利用

或

来防治病虫害的。微生物农药作为

的重要手段(3)在农牧业上的应用P27生产微生物农药生产微生物肥料微生物其代谢物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）水稻枯纹病发酵工程的应用微生物含有丰富的

。(3)在农牧业上的应用生产微生物农药生产微生物肥料生产微生物饲料蛋白质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

，即单细胞蛋白。微生物菌体单细胞蛋白=微生物菌体单细胞蛋白成分：不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。可用作食品添加剂、微生物饲料。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。练习：在处理含油废水的同时，可获得单细胞蛋白，实现污染物资源化。为评价A、B两菌株的相关性能，进行了培养研究，结果如图。据图分析，应选择菌株________进行后续相关研究，理由是_________________________________________________________________________________________________________________________。该菌株增殖速度快，单细胞蛋白产量高；降解脂肪的能力强，净化效果好B(4)在其他方面的应用②对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用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。粮食、环境、健康能源利用嗜热菌、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的应用课堂小结食品工业医药工业生产传统发酵产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生产各种抗生素、多种氨基酸、激素、免疫调节剂等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利用微生物的代谢产物利用微生物及其代谢产物利用微生物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。（）×√√×发酵工程特点：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P5①混合菌种②固体发酵、半固体发酵③家庭式、作坊式制作一、概念检测练习与应用（P28）单细胞蛋白即微生物菌体，而不是微生物的代谢物（5）单细胞蛋白是通过发酵产生的大量微生物分泌蛋白。（

）×

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）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。

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。（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。复习与提高（P30）细菌计数板计数S形增长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。（4）将目的菌用于环境保护实践时,还有哪些问题需要解决?复习与提高（P30）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。（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。这是后与基因工程相结合。

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1×10~1×10；取每个浓度的冰