【生物】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发酵工程及应用青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。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？通过发酵工程生产一、发酵工程的基本环节1、随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下，大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成。2、发酵工程的环节：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、提纯等方面。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微生物的特定功能现代化工程技术

利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。——发酵工程发酵工程的基本环节：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1.选育菌种（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；思考讨论：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？

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，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。2.扩大培养（液体培养基）（1）目的：增加菌种数量，缩短生产周期（2）原因：

工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。3.配制培养基：①在菌种确定之后，要_________制备培养基。②在生产实践中，培养基的配方要经过________才能确定。4.灭菌：选择原料反复试验（1）灭菌原因：发酵工程种所用的菌种大多是________，一旦有杂菌污染，可能导致_____________。单一菌种产量大大降低（2）_____________都必须经过严格的灭菌；（高压蒸汽灭菌）培养基和发酵设备（3）灭菌的目的：除去杂菌，避免与发酵所用的菌种形成竞争，得不到发酵产品。5.接种：将_____________的菌种投放到______中发酵罐扩大培养后6.发酵罐内发酵—发酵工程的中心环节（1）要求：①发酵过程中，要________培养液中___________、________等，以____________；②要及时添加_______________，要严格控制_____、____和______等发酵条件；随时检测微生物数量产物浓度了解发酵进程必需的营养物质温度pH溶氧量（2）严格控制发酵条件的原因：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；②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态（3）不同发酵条件的影响实例——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（4）现代发酵工程使用的发酵罐的优点

均有_______________，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7.分离、提纯产物方法：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；过滤沉淀分离干燥根据产物的性质适当提取分离纯化8.获得产品：啤酒味精抽取样本进行检测调节罐温控制溶解氧调节罐压培养物或营养物质的加入口观察孔取样管电动机排气管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温度传感器和控制装置冷却水进入口阀门放料管控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，抽取样品进一步检测。使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热可能改变发酵液中PH的原因：营养物质的消耗、代谢产物的积累等可能改变发酵罐温度的原因：呼吸作用产生的热量、搅拌器的搅拌等通过加料装置添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液。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（1）温度：通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整（2）溶解氧：通过通气量和搅拌速度加以调节。（3）pH：3.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)在发酵过程中，电动机不停带动搅拌叶轮转动，这样做的目的是

。

(2)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。

让微生物与营养物质充分接触，以保证微生物的营养供应细胞呼吸

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练习与应用——发酵工程基本环节分析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？一、发酵工程的基本环节思考讨论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。——发酵工程基本环节分析2、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？（1）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（2）及时添加必要的营养组分。（3）对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。一、发酵工程的基本环节思考讨论3、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？4、进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液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。

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P25思考·讨论：啤酒的工业生产流程过程内容主发酵后发酵酵母菌的繁殖、糖的分解、代谢物的生成一般为5~10天低温、密闭环境下储存一般1~2个月一、过程概述：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

发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求不同有所差异。思考·讨论啤酒的工业化生产流程二、讨论1.酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？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？“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。

酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。1.与传统的手工发酵相比，在上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，我们如何看待大规模生产和小规模制作？答案：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。思考·讨论：啤酒的工业生产流程类别“精酿”啤酒“工业”啤酒原料是否添加食品添加剂麦芽汁浓度发酵时间特点只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等不添加添加

较高，口味浓郁较低，口味清淡长，可达2个月短，通常7天左右产量低、价格高产量高、价格低发酵工程的优点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；

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（一）在食品工业上的应用1、生产传统的发酵产品大豆中蛋白小分子肽和氨基酸酱油黑曲霉淋洗、调制各种谷物、水果酿酒酵母各种酒类利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类2、生产各种各样的食品添加剂表1-2常用的几种食品添加剂添加剂类型举例酸度调节剂L-苹果酸、柠檬酸、乳酸增味剂5‵-肌苷酸二钠、谷氨酸钠着色剂β-胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂黄原胶、β-环状糊精、结冷胶防腐剂乳酸链球菌素、溶菌酶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，经处理制成味精。3、生产酶制剂①常见酶制剂α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶②酶制剂应用

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品产量等；③酶制剂来源少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产；（二）在医药工业上的应用（1）采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。（2）直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。（3)利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转移至微生物中，通过发酵技术大量获得疫苗。实例：利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。实例：将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产。生产药物的方法：（三）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微生物肥料的作用微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；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.（三）在农牧业上的应用（2）生产微生物农药①微生物农药的作用利用微生物或其代谢物来防治病虫害②防治类型属于_________③实例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（三）在农牧业上的应用（3）生产微生物饲料①原理微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快②实例1——单细胞蛋白许多国家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；

单细胞蛋白应用——食品添加剂、微生物饲料；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。微生物菌体（四）在其他方面的应用（1）解决资源短缺与环境污染问题随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功（2）将极端微生物应用于生产实践自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。例如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。小结总结一、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，产量和质粒明显提高。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、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。（

）×√×√练习与应用二、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:血红蛋白具有携带O2的能力)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。练习与应用(2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，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生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？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。练习与应用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。调查显示，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风险。

存在风险。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。练习与应用

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

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。细菌计数板计数S形增长复习与提高

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，请分析回答问题。（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，请分析回答问题。（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。复习与提高

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。复习与提高

（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？①不同意。只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。复习与提高

（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。②有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？【提示：我国卫生部门规定了饮用水标准，1mL自来水中细菌总数不可以超过10