2022-2023学年苏教版选择性必修3 第一章 第四节　发酵工程及其应用 课件（44张）

第四节发酵工程及其应用第一章内容索引0102基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升学习目标1.归纳微生物的特定功能,了解其在发酵工程中的应用。2.结合具体事例,掌握发酵工程的一般过程。3.掌握发酵工程在医药业、食品业、农业及其他领域的广泛应用。基础落实•必备知识全过关知识点一发酵工程利用了微生物的特定功能和发酵工程的一般过程1.发酵工程利用了微生物的特定功能(1)微生物种类:主要包括细菌、

真菌

和

病毒

等。

(2)微生物的特定功能:①微生物具有生长

旺盛

、繁殖

快

的特定功能。

②微生物具有

吸收多

、

转化快

的特定功能。这为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障。

③微生物具有

适应性强

、

易变异

的特定功能。这为通过育种大幅度地提高菌种的生产性能提供了保障。

④微生物还具有

种类多

、

分布广

的特点。许多微生物分别具有抵抗冷、热、酸、碱、高压、高辐射和适应有氧或无氧等环境的特定功能。

⑤微生物种类繁多不仅体现在物种的种类上,还体现在微生物的生理

代谢类型

上。

2.发酵工程的一般过程(1)发酵工程的概念:采用现代工程技术手段,利用

微生物

或

动植物

细胞的特定功能,在人工控制的环境条件下生产满足

人类需求

的特定产品等的工程技术称为发酵工程。

(2)主要步骤:发酵原料的

预处理

、发酵培养基的配制、菌种

选育

和

扩大

培养、发酵生产和产物的

分离与提纯

等。

(3)大型发酵罐:(4)发酵工程的自动调节控制:①氧含量的调节可以通过

通气量

和搅拌的

速度

来实现;②温度的调节可以通过发酵罐夹层或蛇形管中的冷却水的

热交换

作用来实现;③pH的调节可以通过在培养基中添加

酸或碱

等来实现。

(5)分批发酵:①概念:

一次投料、一次接种、一次收获

的间歇发酵方式。

②特点:单细胞微生物的生长状况随着发酵罐中各种物质浓度的变化表现出一定规律。根据不同培养时间里细菌数量的变化,可以作出一条反映细菌在整个培养期间数量变化规律的曲线,称为生长曲线。分批发酵中的细菌生长曲线

(6)连续发酵:旁栏边角

想一想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?提示

需要考虑的因素包括: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。结论语句

辨一辨(1)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及菌体本身。(

√

)(2)酒精、啤酒等为厌氧发酵产品,味精、赤霉素、乳酸等的生产属于需氧发酵。(

×

)(3)在生产上常选择稳定期的微生物作为“种子”。(

×

)(4)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。(

√

)(5)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。(

×

)(6)微生物适应性强、易变异的特定功能为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障。(

×

)知识点二发酵工程应用广泛1.发酵工程的主要产品

2.发酵工程的应用领域

旁栏边角

想一想

1.根据发酵工程在医药业、食品业等方面的应用进行连线。

提示

2.生物农药的优点有哪些?提示

(1)选择性强,对人畜安全。(2)对生态环境影响小。(3)作用效果明显。结论语句

辨一辨(1)氨基酸、核苷酸、蛋白质等属于初级代谢产物。(

√

)(2)目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的。(

×

)(3)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。(

×

)(4)发酵工程在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面作出了越来越大的贡献。(

√

)(5)发酵工程在纺织、皮革制造和污水处理等方面都发挥着重要作用。(

√

)(6)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富,但废弃物对环境污染很大,不易处理。(

×

)重难探究•能力素养全提升主题一发酵工程利用了微生物的特定功能和发酵工程的一般过程情境探究请根据发酵工程的基本环节和发酵罐的结构,思考怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要。发酵罐示意图

提示

(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。方法突破1.发酵工程的基本环节

基本环节主要方法及目的菌种选育从自然界中筛选;诱变育种;基因工程育种扩大培养快速增加菌种数量发酵培养基的配制结合菌种的代谢特点配制培养基灭菌避免因杂菌污染而影响产品品质和产量接种将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中基本环节主要方法及目的发酵生产①监测并控制温度、pH、溶解氧等发酵条件,使发酵全过程处于最佳状态;②随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等,以了解发酵进程,还要及时添加必需的营养组分等产物的分离与提纯①若发酵产品是微生物细胞本身,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离、干燥;②若发酵产品是代谢物,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2.发酵过程的影响因素及相应的调节和控制方法(1)温度。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,会引起发酵过程温度升高;机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。调节和控制培养液温度的方法:用冷却水进行温度的调节。(2)pH。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;而碱性物质的生成则会导致培养液的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加碱。(3)溶解氧。对于好氧型微生物,发酵过程要保证充足的溶解氧;对于厌氧型微生物,要保证严格的无氧环境。调节和控制溶解氧的方法:利用发酵罐的通气口控制氧气的量。视角应用视角1发酵的一般过程及其控制1.随着人们对发酵原理认识的不断深入,微生物纯培养技术的建立,以及密闭式发酵罐的成功设计,人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品。下列有关发酵工程过程的叙述,错误的是(

B

)A.发酵工程的过程一般包括菌种的选育,扩大培养,培养基的配制,灭菌,接种,发酵,产品的分离、提纯,等等B.选育菌种都是通过基因工程育种、诱变育种等方法获得的C.扩大培养的目的是使优良菌种大量繁殖,便于得到足够多的菌种D.产品的分离与提纯要根据产物的类型采用不同的分离方法解析

发酵工程的过程一般包括菌种的选育,扩大培养,培养基的配制,灭菌,接种,发酵,产品的分离、提纯等,A项正确;选育菌种的方法总体上分为两种,一种是直接从自然界中筛选出常规菌种,另一种是通过基因工程育种或者诱变育种获得工程菌种,B项错误;发酵工程的发酵装置足够大,必须接种足量的菌种才能保证其产量,因此接种前要进行扩大培养来增加菌种的数量,C项正确;发酵工程的产品有两种类型,如果发酵产品是菌体本身,可以采用过滤、沉淀等方法进行分离提纯,如果发酵产品是代谢物,需要根据其性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行分离提纯,D项正确。2.发酵工程采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品。常用好氧菌谷氨酸棒状杆菌利用图1的发酵罐来大量生产味精,发酵流程如图2所示。下列叙述正确的是(

B

)图1图2A.发酵中所使用的谷氨酸棒状杆菌菌种可从自然界筛选,也可通过诱变育种、杂交育种或者基因工程育种获得B.为了保证发酵产品的产量和品质,图中发酵配料及发酵罐需经过严格的灭菌C.在发酵过程中,通过加料口取样,随时监测产物浓度和微生物数量D.图中发酵过程需通入无菌空气,并通过搅拌使培养液与菌种充分接触后关闭通气口解析

谷氨酸棒状杆菌属于原核生物,不能进行有性生殖,无法通过杂交育种获得,A项错误;严格灭菌可以杀死发酵配料及发酵罐中的所有微生物,防止杂菌污染,从而保证发酵产品的产量和品质,B项正确;在发酵过程中,应通过放料口取样,随时监测产物浓度和微生物数量,C项错误;谷氨酸棒状杆菌属于好氧菌,在发酵过程中要不断地通入无菌空气,不能关闭通气口,D项错误。视角2发酵过程分析3.(2022盐城伍佑中学高二月考)牙刷在使用后残留大量的细菌,科研人员比较了2.5%的碳酸氢钠和沸水消毒牙刷的效果,实验结果如图所示。下列相关叙述正确的是(

)A.培养基分装于培养皿中后灭菌,可降低培养基污染的概率B.涂布用的菌浓度应控制在30~300个/mLC.将接种后的培养基倒置于25℃恒温培养箱中培养24hD.建议定期使用2.5%碳酸氢钠溶液对牙刷进行消毒答案

D解析

培养基应该先灭菌,再在超净工作台上分装到培养皿中,A项错误;涂布时所用菌液一般为0.1

mL,平板上的菌落数应介于30~300个,涂布用的菌浓度应控制在300~3

000个/mL,B项错误;由图可知,将接种后的培养基倒置于恒温培养箱中培养7

d,C项错误;由图可知,与A、C组相比,B组用2.5%碳酸氢钠溶液对牙刷进行消毒后,牙刷实际菌落数最少,可定期使用2.5%碳酸氢钠溶液对牙刷进行消毒,D项正确。4.(2021徐州第一中学高二期中)在细菌的连续培养过程中,要以一定速度不断添加新的培养基,同时以同样速度放出老的培养基。下图表示培养基的稀释率(培养基的更新速率)与培养容器中营养物质浓度、细菌代时(细菌数目增加一倍所需的时间)、细菌密度的关系。下列相关叙述不正确的是(

)答案

CA.在稀释率很低的情况下,稀释率的增加会导致细菌密度增加B.稀释率从a到b的变化过程中,细菌生长速度不断提高C.稀释率超过b后,营养物质浓度过高导致细菌死亡率增大,细菌密度降低D.为持续高效地获得发酵产品,应将稀释率控制在b左右解析

在稀释率很低的情况下,稀释率的增加,也就是培养基的更新速率增加,会导致细菌密度增加,A项正确;稀释率从a到b的变化过程中,细菌的代时越来越小,所以细菌生长速度不断提高,B项正确;由曲线可知,随稀释率的增加,营养物质的浓度提高,细菌代时缩短,数目减少,这是由于培养基更替太快,带走了大量的细菌,细菌密度降低,并不是死亡率增大所致,C项错误;稀释率大于b后,细菌的密度减小,代谢产物也会减少,要持续高效获得发酵产品,应控制在b左右,D项正确。主题二发酵工程应用广泛情境探究1.利用微生物将纤维素发酵产生乙醇,和汽油按一定比例混合后形成乙醇汽油。请描述一下乙醇汽油的优点。提示

乙醇可通过粮食发酵制得,是可再生能源,推广使用乙醇汽油可以节省石油资源;乙醇燃烧生成二氧化碳和水,能减少汽车尾气的污染等。2.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。提示

可以利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾,可以利用发酵工程使烟气脱硫,还可以利用微生物工程除臭等。方法突破发酵工程生产的相关产品及所用的微生物

视角应用1.(2022常熟中学高二期中)下列对发酵工程及其应用的叙述,正确的有几项?(

C

)①生产谷氨酸需将pH调至中性或弱碱性②生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉③发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身④利用发酵工程生产的根瘤菌肥作为微生物农药可以促进植物生长⑤啤酒的工业化生产过程中,酒精的产生积累主要在后发酵阶段完成⑥用诱变育种或基因工程等方法选育出性状优良的菌种并进行扩大培养⑦用单细胞蛋白制成的微生物饲料,可通过发酵工程从微生物细胞中提取A.2项B.3项C.4项D.5项解析

谷氨酸是由谷氨酸棒状杆菌生产的,而谷氨酸棒状杆菌属于细菌,通常要求在中性偏碱的环境中生长,①正确;一般利用高产黑曲霉生产柠檬酸,②正确;发酵工程的产品可以是微生物的代谢物、酶以及菌体本身,③正确;根瘤菌肥作为微生物肥料,可以通过根瘤菌的固氮作用,增加土壤中的氮肥量,促进植物生长,④错误;啤酒发酵的过程分为主发酵和后发酵两个阶段,但酵母菌的繁殖、大部分糖的分