【公开课】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

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1、第一章 发酵工程第3节 发酵工程及其应用从社会中来从社会中来 P22 P22亚历山大弗莱明英1881-1955青霉素之父工业上，青霉素是怎样生产的？工业上，青霉素是怎样生产的？发酵工程发酵工程对发酵原酵原理理的的认识微生物微生物纯培培养技养技术建立建立密密闭式式发酵酵罐罐成功成功设计严格控制格控制环境条件境条件(温度、温度、pH、溶解氧、溶解氧、压强、营养物、泡沫等养物、泡沫等)大规模生产发酵产品微生物的特定功能现代工程技术那么发酵工程的基本环节是什么呢？发酵工程应用于哪些方面？发酵工程的概念：利用微生物特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。选育高产菌种扩大培养配制培养基灭菌

2、接种发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品自主阅读教材自主阅读教材P22“P22“图图1-9”1-9”，写出发酵工程的基本环节。，写出发酵工程的基本环节。一、发酵工程的基本环节1.选育菌种（1）目的：获获得得_性状优良的菌种（2 2）菌种来源：）菌种来源：从自然界中从自然界中筛选、_或或_。诱变育种育种基因工程育种基因工程育种一、发酵工程的基本环节菌种来源关键点实例从自然界中筛选诱变育种基因工程育种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、缩短生产周期若生若生产的是微生物直接合成的的是微生物直接合成的产物物，可从，可从自然界中先分离出相自然界中先分离出相应菌种，再用物

3、理或菌种，再用物理或化学方法化学方法诱变育种，从突育种，从突变个体中个体中筛选出出符合生符合生产要求的要求的优良菌种。良菌种。若生若生产的是微生物不能合成的的是微生物不能合成的产品品，可用，可用的方法的方法对菌种的菌种的遗传特性特性进行定向改造，以构建工程行定向改造，以构建工程细胞或工胞或工程菌，从而达到生程菌，从而达到生产相相应产品的目的。品的目的。讨论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？1.生产需要(在低成本的培养基上能迅速生长繁殖、代谢产物的产量高等)2.菌种不易变异、退化等3.发酵条件易控制4.考虑气候条件、发酵装置等一、发酵工程的基本环节u常用菌种：主要

4、是常用菌种：主要是细菌、放菌、放线菌、酵母菌和霉菌等。菌、酵母菌和霉菌等。2.扩大培养在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。（1）目的：获得_，缩短生产周期。更多的菌种（2）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。（3）扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？液体培养基。可以使微生物与营养物质充分接触，提高营养物质的利用率，有利于微生物的繁殖。一、发酵工程的基本环节3.配制培养基（一般采用液体培养基一般采用液体培养基）在生产实践中，培养基的配方要经过_才能确定。选择原料原料反复反复试验在菌种确定之后，结合菌种代谢特点，要_制备培养基。（即不断优化培

5、养基（成分、比例等）一、发酵工程的基本环节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。应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。4.灭菌（1）灭菌目的：菌目的：原因：杂菌和菌种形成竞争关系，或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降，对发酵过程造成不良影响（2）如何防止杂菌污染？_都必须经过严格的灭菌。培养基和发酵设备避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量一、发酵工程的基本环节5.接种：将_的菌种投放到_中发酵罐扩大培养后讨论1：如何了解发酵进程？6.发酵罐内发酵发酵工程的中心环节一、发酵工程的基本环节随时检测微生物数量、产物浓度等讨论2：怎样对发酵条件进行调控以满足

6、微生物的生长需要？温度、pH、溶解氧等严格控制添加必要的营养组分。讨论3:引起发酵罐内培养液的温度和pH变化的原因有哪些？发酵工程中如何调节温度和pH?温度：温度：原因：微生物分解有机物释放的能量，机械搅拌也会引起温度升高。原因：微生物分解有机物释放的能量，机械搅拌也会引起温度升高。方法：常用冷却水进行温度的调节方法：常用冷却水进行温度的调节pHpH：原因：培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。：原因：培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。方法：是在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱方法：是在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱讨论4：为什么要严格控制发酵条件？环境条件不仅会影响

7、微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成。严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。一、发酵工程的基本环节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（放气）调节罐压使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热7.分离、提纯产物方法：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_。发酵产品是代谢物时，可_采取_的_、_和_措施来获得产品（萃取、蒸馏、离子交换）过滤沉淀分离干燥根据产物的性质适当提取分离纯化发酵液预处理细胞分离细胞破碎初步纯化高度

8、纯化成品加工细胞破碎分离胞外胞外产物物加热调pH沉降沉降离心离心过滤研磨研磨离心离心萃取萃取过滤沉淀沉淀吸附吸附萃取萃取层析析电泳泳结晶晶离子交离子交换干燥干燥结晶晶讨论5：在在产物分离和提纯产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比方面，发酵工程与传统发酵技术相比 有哪些改进有哪些改进？传统发酵技术获得的产物一般是成分复杂的混合物，一般不会再对产物进行分离和提纯处理，或仅采用简单沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。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，进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后

9、才能成为正式产品。8.获得产品：讨论6：发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理?二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类(1)在食品工业上的应用生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等黑曲霉黑曲霉淋洗、调制酿酒酵母酒酵母二、发酵工程的应用 啤酒的工啤酒的工业化生化生产流程流程 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

10、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。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。二、发酵工程的应用17u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，并对糖浆灭菌啤酒的工业化生产流程发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止二、发酵工程的应用啤酒花的作用：1.与传统的手工发酵相比，在下面啤

11、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，都有助于提高啤酒的产量和品质。啤酒的工业化生产流程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？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,

12、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。二、发酵工程的应用类别“精精酿”啤酒啤酒“工工业”啤酒啤酒只使用麦芽、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、价格低二、发酵工程的应用(1)在食品工业上的应用四、发酵工程的应用生产各种各样的食品添加剂。作用：增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。淀粉黑曲霉淀粉淀粉酶葡萄糖葡萄糖柠檬酸合成檬酸合成酶柠檬酸檬酸谷氨酸棒状杆菌发酵酵氧气氧气谷氨酸谷氨酸处理理味精味精添加了柠檬酸的饮料(1)在食

13、品工业上的应用四、发酵工程的应用生产酶制剂b.来源：少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产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、延长食品储存期和提高产量等方面。d.产品：-淀粉淀粉酶、-淀粉淀粉酶、果胶、果胶酶、氨基酸、氨基酸肽酶和脂肪和脂肪酶等。等。请你回你回忆一下自己做一下自己做过的生物学的生物学实验，想一想，想一想曾曾经使用使用过哪些哪些酶制制剂。探究温度探究温度对酶活性的影响活性的影响实验中的淀粉中的淀粉酶探究探究pH对酶活性的影响活性的影响实验中的中的过氧化氧化氢酶基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合发酵工程生产的药物动植物的基因微生物直接改造微生

14、物转入微生物病原体的抗原基因转入发酵工程药物药物疫苗各种抗生素多种氨基酸多种激素多种免疫调节剂四、发酵工程的应用(2)在医药工业上的应用通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素(3)在农牧业上的应用（1）生产微生物肥料微生物肥料的种类：根瘤菌肥、固氮菌肥微生物肥料的作用：生物肥料利用了微生物在生物肥料利用了微生物在代代谢过程中程中产生的有机酸、生物活性物生的有机酸、生物活性物质等来增等来增进土壤肥力，改良土壤土壤肥力，改良土壤结构，促构，促进植株生植株生长。有的微生物肥料可以有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的，从而减少病害的

15、发生。生。四、发酵工程的应用（2）生产微生物农药利用微生物或其代谢物来防治病虫害(3)在农牧业上的应用微生物农药作为_的重要手段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）水稻枯纹病四、发酵工程的应用微生物农药防治和化学农药防治的比较项目目微生物微生物农药防治防治化学化学农药防治防治防治防治机理机理优点点缺点缺点利用微生物或代利用微生物或代谢物物进行防治行防治成本低、无污染，可以维持生态平衡防治速度慢利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治见效快，操作效快，操作简单成本高，成本高，污染染环境，不利境，不利于于维持生持生

16、态平衡平衡(3)在农牧业上的应用四、发酵工程的应用四、发酵工程的应用(3)在农牧业上的应用（3）生产微生物饲料原理：微生物含有丰富的蛋白质，如如细菌的蛋白菌的蛋白质含量占含量占细胞干重的胞干重的 60%80%,而且而且细菌生菌生长繁殖速度很快。繁殖速度很快。实例1单细胞蛋白单细胞蛋白生产过程：以淀粉或以淀粉或纤维素的水解液、制糖工素的水解液、制糖工业的的废液等液等为原料，原料，通通过发酵酵获得了大量的得了大量的微生物菌体微生物菌体，即即单细胞蛋白。胞蛋白。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单细胞蛋白应用：可以作为食品添加剂、微生物饲料等。其中微生物饲料能使家畜

17、、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。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。(4)在其他方面的应用四、发酵工程的应用（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极端微生物：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。举例：例：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。u发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问

18、题上，作出了越来越大的贡献。课堂小结食品工业医药工业生产传统发酵食品生产传统发酵食品农牧业其他方面生产食品添加剂生产食品添加剂发酵工程应用生产酶制剂生产酶制剂采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到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微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所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需要的产品生产微生物肥料生产微生物肥料生产微生物农药生产微生物农药生产微生物饲料生产微生物饲料解决资源短缺与环境污染问题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

19、将极端微生物应用于生产实践一、概念检测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（P28）2.用稀释涂布平板法来统计样品中的活菌数时，通过统计平板上的菌落数就能推测出样品中的活菌数,原因是()A.菌落中的细菌数目是固定的 B.平板上的一个菌

20、落就是一个细菌 C.通过此方法统计的菌落数与活菌的实际数目相同 D.平板上的一个菌落一般来源于样品稀释液中的一个活菌D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？练习与应用（P28）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。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）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

21、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的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产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？二、拓展应用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的粮食，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一风

22、险。练习与应用（P28）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(如秸杆等)。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。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

23、降低扩增复习与提高（P30）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

24、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?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。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。复习与提高（P30）可行。这是后面将要学习的基因

25、工程的基本思路。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；取杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽）、灭菌、倒平板；取10 m

26、L10 mL刚融化的刚融化的冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释,稀释倍数为稀释倍数为110110-1101105 5 ；取每个；取每个浓度的冰激凌液各浓度的冰激凌液各0.1 mL0.1 mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3 3个平板，个平板，一共培养一共培养1818个平板个平板;在适宜温度下培养在适宜温度下培养48h48h，统计菌落数目。，统计菌落数目。复习与提高（P30）（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。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

27、同意这样的观点吗？为什么？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（P30）（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。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100个（37 培养24 h），1 000 mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个（37培养48 h）】没有必要。根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生

28、明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方案。复习与提高（P30）（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。他们认为，在用该方法统计菌落数目时不需要设计对照组,所以只准备培养18个平板。你认为在这项检测中是否需要对照组？为什么？需要设置对照组。严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可以说明培养基是否被污染，后者可以说明该培养基能否培养出大肠杆菌。复习与提高（P30）（2）下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是_。复习与提高（P30）B（3）在完善实验设计

29、思路后，三位同学进行了实验。培养结果显示，除了深紫色菌落，还有其他菌落存在，这说明了什么？如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量，则统计结果比实际值是偏多还是偏少？为什么？说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。统计结果比实际值偏少。因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个茵落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。复习与提高（P30）（4）如果实验结果显示,检测的冰激凌中大肠杆菌含量超标了。接下来他们应该做什么?应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。复习与提高（P30）计算机控制系统温温度度、pH、溶溶解解氧氧、灌灌压、通通气气量量、搅拌拌、泡沫和泡沫和营养等养等微生物数量、产物浓度及时添加必需的营养组分使使发酵酵过程程处于最佳状于最佳状态监测控制检测微微生生物物的的生生长长繁繁殖殖和代谢物的形成和代谢物的形成影响影响发酵条件一、发酵工程的基本环节6.发酵罐内发酵 发酵工程的中心环节