人教版生物选择性必修三13发酵工程及其应用高中生物公开课课件

第3节发酵工程及其应用第3节发酵工程及其应用1发酵：是利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。

如：谷氨酸棒状杆菌生产味精；黄色短杆菌生产赖氨酸；发酵过程中的微生物：大多数为好氧微生物，少数为厌氧微生物发酵工程：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发酵：是利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径2一、发酵工程的基本环节选育菌种配制培养基灭菌发酵罐内发酵接种分离提纯产品扩大培养一、发酵工程的基本环节选育菌种配制灭菌发酵罐内发酵接种分离提3（一）菌种的选育怎样才能得到优良的菌种？

1）若生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学的方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。

2）若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、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。（一）菌种的选育怎样才能得到优良的菌种？1）若生产的4（二）扩大培养工业发酵要想在较短时间内得到大量的发酵产物，则需要大量的菌体。如何得到大量菌体来缩短生产周期？需要经过多次扩大培养。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。（二）扩大培养工业发酵要想在较短时间内得到大量的发酵产物，则5（三）培养基的配制生长因子无机盐水氮源碳源酸碱度成分是细胞内各种化学反应的进行场所合成自身物质提供能量，最常用的是糖类是微生物细胞生长繁殖和生物合成不可缺的物质。分为无机氮和有机氮两种提供不可缺少的矿质元素如：酵母膏、动物肝脏浸出液、麦芽汁根据不同的微生物进行调节思考：蛋白胨、酵母膏可以作为什么？（三）培养基的配制生长因子无机盐水氮源碳源酸碱度成61、发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程不能混入杂菌，为什么？因为杂菌将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。（四）灭菌和接种例如：

1）在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。

2）在青霉素生产过程中混入杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。1、发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程不能混入72、如何防止杂菌的污染？

在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。3、怎样才算灭菌彻底？用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。2、如何防止杂菌的污染？在发酵前对培养基和发酵设施进行严8（五）发酵过程—中心阶段发酵过程的监控：

1、要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程；

2、及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物

3、要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。（五）发酵过程—中心阶段发酵过程的监控：1、要在发酵过程中9发酵过程的影响因素：

微生物分解有机物释放的能量，一部分用于合成ATP，另一部分散发到培养基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。此外，发酵罐壁散热，水分蒸发会带走部分热量，使发酵温度降低。用冷却水进行温度的调节1、温度发酵过程的影响因素：微生物分解有机物释放的能量，一部102、PH值

PH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时，培养液的pH就会下降；而碱性物质的消耗和氨的生成等则会导致培养液的pH上升。

调节和控制培养液pH的方法：在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。3、溶解氧好氧型微生物：溶解氧要充足；厌氧型微生物：严格的无氧环境由发酵罐的通气口来控制2、PH值PH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利11发酵产物不同分离提纯的方法也不同：代谢产物菌体本身：提取分离纯化：过滤、沉淀。（六）分离和提纯思考：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。发酵产物不同分离提纯的方法也不同：代谢产物：提取分离纯化12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13发酵工程的主要内容从自然界分离的菌种诱变育种基因工程细胞工程生产用菌种扩大培养发酵罐发酵条件控制原料培养基配制微生物菌体代谢产物产品接种灭菌分离提纯发酵工程的主要内容从自然界分离的菌种诱变育种基因工程细胞工程141.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)低成本的培养基上能迅速繁殖(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?(1)反复试验确定培养基的配方。(2)对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。(3)用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。(4)控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。可用温度传感器、冷却水进入口和排出口控制温度,空气入口控制氧气的量等。思考讨论思考讨论153.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。3.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16啤酒的工业化流程

啤酒的工业化流程17应用实践：(1)利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“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。(2)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？醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。(3)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。应用实践：“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，“密18（4）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?应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生产的，存在啤酒品质不稳定，价格昂贵的问题。（4）现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒191．某高校采用如图所示的发酵罐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，常需对罐体进行降温处理B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大C．正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压D．可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵B1．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下202．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。(1)图中①表示的育种方法是________________。(2)人工控制微生物代谢的措施包括________________和__________________________。(3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断地产生，这说明该生产采用了________的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为______菌。(4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用____________________等分离提纯的方法进行提取。诱变育种改变微生物遗传特性控制生产过程中的各种条件连续培养好氧萃取(或蒸馏或离子交换等)2．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。21二、发酵工程及其应用

具体应用 成果在食品工业上的应用利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类生产各种各样的食品添加剂利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等在医药工业上的应用通过工程菌生产药物通过改造菌种生产药物在农牧业上的应用生产微生物肥料生产微生物农药 生产微生物饲料 在其他方面的应用解决资源短缺和环境污染问题对极端微生物的利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂生产传统的发酵产品利用黑曲霉发酵生产柠檬酸、利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸生产酶制剂利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得大量微生物菌体用于饲料生产二、发酵工程及其应用 具体应用 成果在食品工业上221.微生物肥料使作物增产的原理是什么？微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质能增进土壤肥力、改良土壤结构，促进植物生长。2．微生物农药防治农林害虫的原理是什么？微生物农药是利用微生物或其代谢产物来防治病虫害的。关于发酵工程应用的说法错误的是()A．发酵工程的产品可以是微生物的代谢产物B．通过发酵工程可以从微生物中提取一些酶C．通过发酵工程可以从微生物中提取单细胞蛋白D．发酵工程的产品可以是微生物的菌体C1.微生物肥料使作物增产的原理是什么？微生物在代谢过程中产生23人教版生物选择性必修三13发酵工程及其应用高中生物公开课课件24课堂检测速达标1．关于发酵工程说法错误的是()A．依赖微生物纯培养技术的建立B．发酵设备都是密封的C．食品、医药工业离不开发酵工程D．发酵工程与工农业生产也有密切关系B2．关于发酵工程的菌种说法错误的是()A．发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来B．发酵工程可以利用原材料中含有的菌种C．发酵工程的菌种可以来自基因工程D．发酵工程的菌种可以来自诱变育种B课堂检测速达标1．关于发酵工程说法错误的是()B2．关于253．关于啤酒生产的流程说法错误的是()A．让大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶B．焙烤发芽的大麦种子时，淀粉酶丧失活性C．糖化的目的是让淀粉分解D．蒸煮时终止了酶的作用，并对糖浆进行灭菌B4．啤酒是发酵工程的主要产品，关于啤酒发酵的说法错误的是()A．啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的B．酵母菌的大量繁殖在啤酒发酵主发酵阶段C．啤酒生产的主发酵阶段酵母菌主要进行有氧呼吸D．啤酒生产的后发酵阶段是在低温度和密闭环境下进行的C3．关于啤酒生产的流程说法错误的是()B4．啤酒是发酵工265．发酵法生产酒精后的废液(pH4.3)含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下。请据图回答下列问题：(1)实验过程中培养白地霉的培养基是____________。培养基定量分装前，先调节______，分装后用棉塞封瓶口，最后_____处理。(2)图中①过程称为________，从甲到丁的培养过程是为了____________。白地霉菌的代谢类型为____________。(3)为确定菌体产量，图中②操作之前，应先称量__________的质量。过滤后需反复烘干称量，直至__________________。所获菌体干重等于_________________________________。废液上清液pH灭菌接种扩大培养异养需氧型滤纸恒重(质量基本不变)恒重时的质量与滤纸质量之差5．发酵法生产酒精后的废液(pH4.3)含有大量有机物，可27第3节发酵工程及其应用第3节发酵工程及其应用28发酵：是利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。

如：谷氨酸棒状杆菌生产味精；黄色短杆菌生产赖氨酸；发酵过程中的微生物：大多数为好氧微生物，少数为厌氧微生物发酵工程：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发酵：是利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径29一、发酵工程的基本环节选育菌种配制培养基灭菌发酵罐内发酵接种分离提纯产品扩大培养一、发酵工程的基本环节选育菌种配制灭菌发酵罐内发酵接种分离提30（一）菌种的选育怎样才能得到优良的菌种？

1）若生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学的方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。

2）若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、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。（一）菌种的选育怎样才能得到优良的菌种？1）若生产的31（二）扩大培养工业发酵要想在较短时间内得到大量的发酵产物，则需要大量的菌体。如何得到大量菌体来缩短生产周期？需要经过多次扩大培养。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。（二）扩大培养工业发酵要想在较短时间内得到大量的发酵产物，则32（三）培养基的配制生长因子无机盐水氮源碳源酸碱度成分是细胞内各种化学反应的进行场所合成自身物质提供能量，最常用的是糖类是微生物细胞生长繁殖和生物合成不可缺的物质。分为无机氮和有机氮两种提供不可缺少的矿质元素如：酵母膏、动物肝脏浸出液、麦芽汁根据不同的微生物进行调节思考：蛋白胨、酵母膏可以作为什么？（三）培养基的配制生长因子无机盐水氮源碳源酸碱度成331、发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程不能混入杂菌，为什么？因为杂菌将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。（四）灭菌和接种例如：

1）在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。

2）在青霉素生产过程中混入杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。1、发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程不能混入342、如何防止杂菌的污染？

在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。3、怎样才算灭菌彻底？用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。2、如何防止杂菌的污染？在发酵前对培养基和发酵设施进行严35（五）发酵过程—中心阶段发酵过程的监控：

1、要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程；

2、及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物

3、要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。（五）发酵过程—中心阶段发酵过程的监控：1、要在发酵过程中36发酵过程的影响因素：

微生物分解有机物释放的能量，一部分用于合成ATP，另一部分散发到培养基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。此外，发酵罐壁散热，水分蒸发会带走部分热量，使发酵温度降低。用冷却水进行温度的调节1、温度发酵过程的影响因素：微生物分解有机物释放的能量，一部372、PH值

PH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时，培养液的pH就会下降；而碱性物质的消耗和氨的生成等则会导致培养液的pH上升。

调节和控制培养液pH的方法：在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱。3、溶解氧好氧型微生物：溶解氧要充足；厌氧型微生物：严格的无氧环境由发酵罐的通气口来控制2、PH值PH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利38发酵产物不同分离提纯的方法也不同：代谢产物菌体本身：提取分离纯化：过滤、沉淀。（六）分离和提纯思考：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。发酵产物不同分离提纯的方法也不同：代谢产物：提取分离纯化39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40发酵工程的主要内容从自然界分离的菌种诱变育种基因工程细胞工程生产用菌种扩大培养发酵罐发酵条件控制原料培养基配制微生物菌体代谢产物产品接种灭菌分离提纯发酵工程的主要内容从自然界分离的菌种诱变育种基因工程细胞工程411.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)低成本的培养基上能迅速繁殖(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?(1)反复试验确定培养基的配方。(2)对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。(3)用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。(4)控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。可用温度传感器、冷却水进入口和排出口控制温度,空气入口控制氧气的量等。思考讨论思考讨论423.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。3.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43啤酒的工业化流程

啤酒的工业化流程44应用实践：(1)利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“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。(2)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？醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。(3)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。应用实践：“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，“密45（4）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?应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生产的，存在啤酒品质不稳定，价格昂贵的问题。（4）现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒461．某高校采用如图所示的发酵罐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，常需对罐体进行降温处理B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大C．正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压D．可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵B1．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下472．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。(1)图中①表示的育种方法是________________。(2)人工控制微生物代谢的措施包括________________和__________________________。(3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断地产生，这说明该生产采用了________的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为______菌。(4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用____________________等分离提纯的方法进行提取。诱变育种改变微生物遗传特性控制生产过程中的各种条件连续培养好氧萃取(或蒸馏或离子交换等)2．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。48二、发酵工程及其应用

具体应用 成果在食品工业上的应用利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类生产各种各样的食品添加剂利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等在医药工业上的应用通过工程菌生产药物通过改造菌种生产药物在农牧业上的应用生产微生物肥料生产微生物农药 生产微生物饲料 在其他方面的应用解决资源短缺和环境污染问题对极端微生物的利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂生产传统的发酵产品利用黑曲霉发酵生产柠檬酸、利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸生产酶制剂利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得大量微生物菌体用于饲料生产二、发酵工程及其应用 具体应用 成果在食品工业上491.微生物肥料使作物增产的原理是什么？微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质能增进土壤肥力、改良土壤结构，促进植物生长。2．微生物农药防治农林害虫的原理是什么？微生物农药是利用微生物或其代谢产