【高中生物】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.pptx

嵌入视频 青霉素的“自白”【从社会中来】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青霉素，它的价格贵如金。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160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？第3节 发酵工程及其应用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、温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等溶解氧、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 P1 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概念合作探究1 阅读P22-23，结合图1-9，分析讨论以下问题:1、发酵工程的基本环节有哪些？发酵工程中心环节是什么？2、青霉素工业生产，选育菌种的方法有哪些？3、扩大培养目的是什么？4、扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选 培养基进行培养，原因？5、为什么要严格控制发酵条件？快速增加菌种数量液体培养基，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。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；在青霉素生产过程中如果有在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。青霉素酶，将青霉素分解掉。生产柠檬酸生产柠檬酸生产啤酒生产啤酒生产青霉素生产青霉素生产味精生产味精黑曲霉黑曲霉啤酒酵母啤酒酵母黄青霉黄青霉谷氨酸谷氨酸棒状杆菌棒状杆菌在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。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、提纯产物获得产品性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。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发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。电动机排气管pHpH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 这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，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。发酵工程的基本环节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l在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；l生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；l菌种不易变异、退化等。发酵工程的基本环节2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？反复试验确定培养基的配方；对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；及时添加必需的营养组分；严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制。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？思考讨论l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？l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。l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。发酵工程生产产品的流程如图所示。回答下列问题：(1)性状优良的菌种可以从_中获取，随着技术的发展，也可以通过_或_等途径获得。(2)发酵过程是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中的_、_等，以了解发酵进程。除了了解发酵进程外，还要及时添加必需的营养组分，要严格控制_（答出2点即可）等发酵条件。(3)如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用_等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的_措施来获得产品。(4)青霉菌在一定条件下可产生青霉素，青霉素具有杀菌的作用，有同学认为利用青霉菌发酵生产青霉素的过程中不必担心杂菌的污染，你是否认同这样的观点？_。为什么？_。(4)不认同 因为青霉素只能杀灭部分杂菌，且某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉，因此生产青霉素的过程中也要防止杂菌污染(3)过滤、沉淀 提取、分离和纯化(1)自然界 诱变育种 基因工程育种(2)微生物数量 产物浓度 温度、pH和溶解氧产物专一生产条件温和原料来源丰富且价格低廉废弃物对环境污染小且容易处理P24 发酵工程的特点在食品工业上的应用在医药工业上的应用在农牧业上的应用在其他方面的应用发酵工程的应用发酵工程的应用合作探究 2 阅读P24-271、在食品工业上有哪些方面应用及作用？2、什么工程的广泛应用促进发酵工程制药的发展？在医药工业上的应用有哪些例子？3、在农牧业上的应用有哪些？4、除了在食品、医药、农牧业上的应用，还有哪些方面的应用？1.生产传统发酵产品酱油大豆(主要原料)黑曲霉黑曲霉(蛋白酶蛋白酶)小分子肽和氨基酸淋洗、调制淋洗、调制(1)(1)酱油的生产酱油的生产谷物或水果酿酒酵母酿酒酵母各种酒类(2)(2)各种酒类的生产各种酒类的生产发酵工程的应用二在食品工业上的应用(是微生物最早开发和应用的领域）嵌入视频 啤酒的酿造发酵工程的应用在食品工业上的应用1.生产传统发酵产品发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止加啤酒花冷却过滤主发酵主发酵后发酵后发酵酵母菌繁殖，大部分酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。糖分解和代谢物生成。在在低温、密闭低温、密闭的环境的环境下储存一段时间，形下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。成澄清、成熟的啤酒。啤酒的工业化生产流程: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。1.与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？发酵工程的应用在食品工业上的应用l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。l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。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?阅读以下材料，回答相关问题。我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵条件随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。（1）发酵工程一般包括菌种的选育、_、培养基的配制、灭菌、接种、发酵、产品的分离、提纯等方面。啤酒酵母的新陈代谢类型是_。（2）在酿酒过程中常加入_（填某种植物激素）以缩短大麦发芽的时间，从而减少有机物的消耗。焙烤阶段应注意控制温度，不能使_失活。（3）发酵阶段的底物是_，发酵液和发酵设备都必须经过严格的_处理。（4）请写出一条啤酒的发酵生产过程中，可以使啤酒的产量和质量得到明显提高的工程手段_。（5）请写出一条发酵工程在食品工业、医药工业和农牧业等领域得到广泛应用的原因_。（1）扩大培养 异养兼性厌氧型 （2）赤霉素 淀粉酶 （3）葡萄糖 灭菌 （4）随时检查培养液中的酵母菌数量；产物浓度；及时添加必需的营养组分；严格控制发酵温度、发酵时间、PH、溶解氧含量、罐压和搅拌速率等发酵条件。（4）生产条件温和；原料来源丰富且价格低廉；产物专一；废弃物对环境污染小、易处理第二，生产各种各样的食品添加剂。食品添加剂的作用：食品添加剂的作用：添加剂类型添加剂类型举例举例酸度调节剂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-胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂黄原胶、-环状糊精、结冷胶防腐剂乳酸链球菌素、溶菌酶实例：实例：柠檬酸柠檬酸是一种广泛应用的是一种广泛应用的食品酸度调节剂食品酸度调节剂，可以通过可以通过黑曲霉黑曲霉的发酵制得。的发酵制得。由由谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌发酵发酵可以得到可以得到谷氨酸谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制作谷氨酸经过一系列处理就能制作味精味精。不仅可以增加食品的不仅可以增加食品的营养营养，改善食品的，改善食品的口味口味、色泽和品质色泽和品质，有时还可以有时还可以延长食品的保存期延长食品的保存期。发酵工程的应用在食品工业上的应用3.生产酶制剂l食品直接生产l改进生产工艺l简化生产过程l提高产品产量l延长食品储存期l改善产品的品质 和口味酶制剂的作用酶制剂果胶酶脂肪酶-淀粉酶-淀粉酶氨基酸肽酶二、在医药工业上的应用 原理：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；或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。利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素利用基因工程改造的微生物生产疫苗。等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。基因工程、蛋白质工程实例：未来还可能利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物。发酵工程的应用在农牧业上的应用1.生产微生物肥料2.生产微生物农药3.生产微生物饲料 利用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、增强植物抗病性和抗逆性。利用微生物或其代谢物来防治病虫害。属于生物防治。以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体。单细胞蛋白发酵工程的应用在其他方面的应用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2.对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用利用嗜热菌、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。我国发酵产品总量位居世界第一，我国是名副其实的发酵大国。粮食、环境、健康能源1.1.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。列相关表述是否正确。(1)(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（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)(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。（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)(3)在发酵工程的发酵环节中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发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微也会影响微生物的代谢途径。（生物的代谢途径。（）(4)(4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（）练习与应用一、概念检测发酵工程特点：特点：菌种纯、产量大、质量稳定；大规模生产、高度自动化控制 传统发酵技术混合菌种固体发酵、半固体发酵家庭式、作坊式制作二、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。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【网络构建】