高中生物苏教版（2019）选择性必修3 生物技术与工程 第一章 第四节　发酵工程及其应用（64张PPT）

(共64张PPT)
第四节　发酵工程及其应用
1.归纳微生物的特定功能。
2.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。
学习目标
1.科学思维：分析发酵工程的一般过程，讨论发酵工程
与传统发酵技术相比其改进之处。
2.社会责任：认同发酵工程的工业化生产极大地改善了
人们的生活。
素养要求
内容索引
网络构建
课时对点练
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
二、发酵工程应用广泛
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、 和 等。
(2)微生物的特定功能
①微生物具有生长 、繁殖 的特定功能。
②微生物具有 、 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 、 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。
教材梳理
预习新知　夯实基础
真菌
病毒
旺盛
快
吸收多
转化快
适应性强
易变异
④微生物还具有 、 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
上。
种类多
分布广
代谢类型
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 或 细胞的特定功能，在人工控制的环境条件下生产满足 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 、发酵培养基的配制、菌种 和 培养、发酵生产和产物的 等。
微生物
动植物
人类需求
预处理
选育
扩大
分离与提纯
(3)大型发酵罐
排气口
pH
搅拌器
无菌
(4)发酵工程的自动调节控制
①氧含量的调节可以通过 和搅拌的 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 作用来实现；③pH的调节可以通过在培养基中添加 等来实现。
(5)工业发酵的类型
①根据发酵过程的操作方式不同，可将工业发酵分为 发酵和______发酵等。
②分批发酵：一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式。
a.延滞期：微生物刚接种到一个新的环境之后，需要经历的一个短暂的_____时期，此时微生物一般 。
通气量
速度
热交换
酸或碱
分批
连续
适应
不增殖
b.对数期：此时细胞分裂增殖旺盛，活微生物数量增长速率 。此时微生物的代谢活性高、生命力强，在生产上常作为“ ”。
c.稳定期：微生物的生长速率维持相对 ，这时如能及时补充_____
或分离 ，改善培养条件，可延长稳定期。
d.衰亡期：随着培养基中营养物质的消耗，代谢产物的积累和pH等环境条件的变化，微生物的生长受到影响，生长速率 ，死亡速率逐步
，活的微生物数量逐步 。此时微生物代谢活性降低，呈现
现象。
最高
种子
稳定
营养
物质
代谢产物
降低
增加
减少
衰老和自溶
③连续发酵：在一个培养基可流动的装置中，以一定的速率不断地放出___的培养基和代谢产物，同时不断添加 的培养基和调节相关_______
___，使发酵过程保持相对稳定。
a.类型：包括 连续发酵和多罐连续发酵。
b.优点：简化了发酵罐的 、清洗、出料等步骤，缩短了______
___，提高了设备的利用率和单位时间产量等。
c.应用：在酒精、丙酮和丁醇等产品的生产中得到了成功的应用。
老
新
发酵条
件
单罐
多次灭菌
发酵周
期
(1)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(　　)
(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”(　　)
判断正误
×
×
×
核心探讨
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的因素：能在低成本的 上生长，且大量高效地合成产物；发酵条件如 、___、溶解氧等易控制；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。
2.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？
突破重难　强化素养
提示　不能。因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。
培养基
温度
pH
3.下面是分批发酵中的细菌生长曲线，请据图回答下列问题。
提示　细菌等微生物在刚接种到一个新的环境之后，需要经历一个短暂的适应时期，在此时期内，微生物一般不增殖。
(1)在延滞期细菌浓度几乎没有变化，其原因是什么？
(2)处于对数期的微生物有什么特点？
提示　此时细胞分裂增殖旺盛，代谢活性高、生命力强。
(3)在“稳定期”细菌浓度维持稳定，此时限制细胞数量增加的主要原因是什么？怎样延长稳定期？
提示　此时，限制因素主要是资源、空间有限，种内竞争加剧；可通过及时补充营养物质，分离代谢产物，改善培养条件等来延长稳定期。
(4)在“衰亡期”细菌数量下降的原因是什么？
提示　由于培养基中的营养物质被消耗，代谢产物积累，pH等环境条件的改变，导致其生长速率降低，死亡速率逐步增加，从而使微生物数量逐步减少。
核心归纳
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 选育方法：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
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.分批发酵过程中经历的时期及特征
时期 特征
延滞期 微生物一般不增殖
对数期 细胞分裂增殖旺盛，活微生物增长速率较高，代谢活性高、生命力强
稳定期 微生物的增长速率维持相对稳定
衰退期 微生物生长速率降低，死亡速率增加，活的微生物量逐步减少
典题应用
1.(2021·山东潍坊期中)发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵生产和产物的分离提纯等方面。下列关于发酵工程的认识错误的是
A.发酵分为厌氧发酵和需氧发酵两种
B.发酵工程的产品包括微生物的代谢产物和菌体本身
C.通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧和pH等
D.可以通过调节搅拌的速度来调节温度
及时反馈　知识落实
√
解析　搅拌速度的改变可以用来调节氧含量。
2.下列关于分批发酵和连续发酵的叙述错误的是
A.分批发酵即一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式
B.处于稳定期的微生物不再增殖
C.对数期的微生物因代谢活性高、生命力强，故常作为“种子”
D.连续发酵具有简化发酵罐多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短发酵周
期等优点
√
解析　处于稳定期的微生物仍具有增殖能力，只是其增殖速率与死亡速率达到平衡。
二、发酵工程应用广泛
1.发酵工程的主要产品
教材梳理
预习新知　夯实基础
产品类型 主要产物
微生物菌体细胞 酵母菌、 、微生物农药
微生物酶类 各种酶、酶制剂和_________
微生物代谢产物 代谢产物，如氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白质、核酸和维生素； 代谢产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物
食用菌
各种曲类
初级
次级
微生物转化产物 利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系，将一种化合物转化成含有特殊 的产物。例如，将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，将甾体转化成甾体激素
工程菌发酵产物 通过 和细胞工程创造出许多具有特殊功能的“工程菌”，用发酵技术生产更多更好的产品，发挥更大的经济效益
动植物细胞的产物 通过大规模培养木瓜细胞，生产木瓜蛋白酶；利用 技术生产天然食用色素等
功能基团
基因工程
植物细胞培养
2.发酵工程的应用领域
(1)发酵工程在医药业中的应用
①主要包括生产各种抗生素、 、氨基酸、激素和 。
②实例
a.精氨酸等可以治疗 等疾病。
b.发酵工程可生产甾体激素( 激素)，如氢化可的松(糖皮质激素)；生物制品，包括 、代谢产物及免疫制剂；酶抑制剂，如神经氨酸酶抑制剂(抗病毒药)。
c.治疗糖尿病的胰岛素、抗肿瘤的干扰素、乙肝疫苗等药物已经能通过发酵工程进行大规模生产。
酶
免疫制剂
高氨血症
类固醇
菌体
(2)发酵工程在食品业中的应用
①除了应用于酿造酒、醋、酱油等传统酿造业外，还用于生产调味品或发酵食品等。
②还可以用于生产甜味剂和应用于食品加工(如生产各种单细胞蛋白)等。
(3)发酵工程在农业中的应用
①在农业中的应用包括生产 、生物增产剂、 以及
等。
②生物农药主要包括 杀虫剂(如白僵菌杀虫剂)、细菌杀虫剂(如____
___杆菌Bt杀虫剂)等。
生物农药
生物除草剂
饲料添加剂
真菌
苏云
金
③生物增产剂主要有微生物肥料和微生物饲料，例如，接种 菌可增加土壤氮肥的肥力；而发酵饲料、青贮饲料和 都是很好的微生物饲料。
④生物除草剂也有应用，如用专门寄生于菟丝子上的某种真菌制成的防治菟丝子的除草剂。
⑤饲料添加剂包括通过发酵工程生产的 、维生素、调味剂等。
(4)发酵工程在其他领域的应用
①发酵工程的产物淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、 在纺织、皮革制造、造纸等行业中都发挥重要作用。
②发酵工程还可以应用于 或沼气发酵等方面。
固氮
单细胞蛋白
氨基酸
纤维素酶
污水处理
(1)氨基酸、核苷酸、蛋白质等属于初级代谢产物(　　)
(2)单细胞蛋白既可用于食品加工，也可用于微生物饲料(　　)
(3)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(　　)
判断正误
√
√
√
核心探讨
根据发酵工程在医药业、食品业等方面的应用进行连线。
突破重难　强化素养
核心归纳
1.发酵工程生产的部分抗生素
生产菌种 抗生素 主要治疗疾病
产黄青霉 青霉素 脑膜炎、骨髓炎、肺炎
卡拉链霉 卡拉霉素 结核病
红链霉 红霉素 肺炎、败血症
灰色链霉 链霉素 肺结核
2.发酵工程生产的功能酶
生产菌种 功能酶 主要功能
黑曲霉 纤维素酶 畜禽生产上用于提高饲料利用率
曲霉 葡聚糖酶 预防龋齿
芽孢杆菌及链霉菌 纤溶酶 治疗血栓性疾病
3.发酵工程在食品业中的部分应用
生产菌种或酶 产品类型 主要产品
米曲霉、酵母菌、乳酸菌 调味品 酱油
谷氨酸棒状杆菌 调味品 味精
毛霉、黑根霉 发酵食品 腐乳
酵母菌 含醇饮料 啤酒
毛霉、根霉、酵母菌 含醇饮料 黄酒
红曲霉 食品添加剂 红曲色素
克拉克须霉 食品添加剂 β－胡萝卜素
典题应用
3.发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是
A.酵母菌可以作为酿制酱油、生产啤酒的菌种
B.接种固氮菌可增加土壤氮肥的肥力
C.用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题
D.用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗
及时反馈　知识落实
√
解析　新冠病毒减毒疫苗是新冠病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，病毒不能独立地在液体培养基中生长繁殖，D错误。
4.下列不属于发酵工程的应用的是
A.生产抗生素、维生素、药用氨基酸等
B.生产啤酒、果酒和食醋等
C.化学检测和水质监测
D.生产各种各样的食品添加剂
√
解析　生产抗生素、维生素、药用氨基酸等为发酵工程在医药业上的应用；生产啤酒、果酒和食醋等，生产各种各样的食品添加剂，都是发酵工程在食品业上的应用；化学检测和水质监测不属于发酵工程的应用。
网络构建
课时对点练
题组一　微生物的特定功能和发酵工程的一般过程
1.下列关于微生物特定功能的叙述错误的是
A.微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能
B.微生物具有吸收多、转化快的特定功能
C.微生物具有适应性强、易变异的特定功能，且只能发生基因突变
D.微生物具有种类多、分布广的特点
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对点训练
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解析　微生物也包括真菌，真菌属于真核生物，除能发生基因突变外，也能发生染色体变异等变异。
2.现代发酵工程使用的大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程的一些指标进行监测和控制。下列指标无法监测的是
A.菌体大小 B.pH
C.溶解氧 D.温度
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3.传统发酵技术和现代发酵工程都是利用各种微生物的代谢来实现相关产品的生产的，下列微生物在发酵生产产品过程中需要提供空气或氧气的是
①酵母菌　②醋酸菌　③乳酸菌　④毛霉　⑤谷氨酸棒状杆菌
A.④⑤ B.①②④⑤ C.①②③ D.②④⑤
√
解析　酿酒是利用酵母菌在无氧条件下进行酒精发酵的原理，发酵过程不需提供氧气；醋酸菌是好氧细菌，在氧气充足条件下才能进行醋酸发酵，故需提供氧气；乳酸菌为厌氧细菌，无氧条件下生成乳酸，不需氧气；毛霉为需氧型真核生物，发酵过程需要提供空气或氧气；谷氨酸棒状杆菌为需氧菌，在生产谷氨酸过程中要不断充入无菌空气。故D正确。
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4.下列关于发酵工程的说法不正确的是
A.发酵过程中要随时检测培养液中的微生物数量
B.发酵过程中要随时检测培养液中的产物浓度
C.发酵过程中不需要再添加营养组分
D.发酵过程中要严格控制温度、pH和溶解氧等
√
解析　发酵过程中需要及时添加必需的营养组分。
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5.发酵工程的正确操作过程是
①发酵生产　②培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　⑤菌种的选育　⑥扩大培养和接种
A.①③④⑤②⑥ B.⑤②③⑥①④
C.②⑤③①⑥④ D.⑥⑤②④③①
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6.酵母菌培养过程中的生长曲线如图所示，a、b、c、d分别表示不同的生长时期，其中适于作为生产用菌种的时期是
A.a B.b
C.c D.d
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解析　常作为生产菌种和科研材料的细菌群体，应该是代谢旺盛、个体形态和生理特性比较稳定的时期，曲线b时期菌体代谢最旺盛，生理特性比较稳定，是生产用菌种的最佳时期。
题组二　发酵工程应用广泛
7.下列关于发酵工程应用的叙述，错误的是
A.红链霉产生的红曲色素可以用作食品添加剂
B.曲霉产生的葡聚糖酶可以预防龋齿
C.产黄青霉产生的青霉素是其次生代谢产物
D.可以通过发酵工程生产甜味剂
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解析　红曲色素是由红曲霉产生的，而不是由红链霉产生的，故A错误。
8.以下关于微生物饲料的叙述不正确的是
A.酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂
B.用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快
C.青贮饲料中添加乳酸菌可以提高饲料的品质，使饲料保鲜
D.微生物饲料一定可以抑制病原微生物的生长，减少病害的发生
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9.如图所示为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量合成氨基酸A，应采取的最佳措施是
A.改变面包霉的细胞质膜通透性
B.在高温高压下进行发酵
C.对面包霉进行诱变处理，选育出
不能合成酶③的菌种
D.对面包霉进行诱变处理，选育出
不能合成酶②的菌种
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10.“通州老窖”是以优质高粱、麸曲、产脂酵母菌为原材料酿制出的一种白酒。以下相关叙述正确的是
A.水质、菌种和发酵时间会影响酒的品质
B.所用的菌种属于生态系统中的消费者
C.可用平板划线法测定发酵液中的菌种浓度
D.酿制过程必须进行严格的灭菌操作
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解析　影响酒品质的因素有很多，如水质、菌种和发酵时间等，A正确；
酿酒所用的菌种属于生态系统中的分解者，B错误；
可用稀释涂布平板法测定发酵液中的菌种浓度，C错误；
酿制过程不能进行灭菌，防止把酵母菌杀死而影响酒的产量，D错误。
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选择题11～12题为单选题，13～16题为多选题。
11.现代化酿醋工艺离不开对高产菌株的选择，欲探究菌株a是否为高产类型，实验设定的自变量和无关变量分别是
A.菌株a和普通菌株；醋酸的产量
B.醋酸的产量；菌株a和普通菌株
C.菌株a和普通菌株；发酵底物、温度、pH等
D.是否提供氧气；发酵底物、温度、pH等
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综合强化
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解析　由题意“欲探究菌株a是否为高产类型”可知，自变量是菌株a和普通菌株，因变量是醋酸的产量，无关变量是发酵底物、温度、pH等，C项符合题意，A、B、D三项均不符合题意。
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12.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究。下列叙述正确的是
A.为加快发酵速度，应使发酵液保持35 ℃的恒温
B.给发酵罐适时排气，后期可缩短排气间隔时间
C.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
D.若定期对培养液中酵母菌进行计数，只能采用
稀释涂布平板法
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解析　酵母菌发酵的适宜温度为18～25 ℃，A错误；
在发酵过程中需要给发酵罐适时排气，随着发酵过程的进行，产生的二氧化碳越来越少，后期可延长排气间隔时间，B错误；
葡萄酒发酵的原料是糖类，因此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，C正确；
若定期对培养液中酵母菌进行计数，除采用稀释涂布平板法，还可以采用显微镜直接计数法，D错误。
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13.以下属于发酵工程应用的是
A.生产抗生素、维生素、动物激素、重组乙型肝炎疫苗等
B.生产防腐剂、增味剂、着色剂、增稠剂等食品添加剂
C.生产用作饲料或食品添加剂的单细胞蛋白
D.获取用于产生抗体的动物细胞
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14.下列关于青霉素生产的叙述，正确的是
A.用紫外线、激光、化学诱变剂处理青霉菌再经筛选的方法可选育高产
菌种
B.青霉素是青霉菌生长过程中产生抑制其他微生物生长的代谢物
C.发酵罐接种后必须进行灭菌处理
D.青霉菌生长达到稳定期，活菌数不再增加，青霉素产量也不再增加
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解析　发酵罐应该在接种前灭菌，接种后灭菌会把接种的菌株杀死，C项错误。
15.利用农作物秸秆等纤维质原料生产的乙醇，经加工可制成燃料乙醇，从而减少了对石油资源的依赖。下图为生产燃料乙醇的简要流程，据图分析，下列叙述正确的是
A.要得到微生物A，最好选
择富含纤维素的土壤采集土样
B.图中②过程常用的微生物B是酵母菌
C.微生物A和微生物B可利用的碳源相同
D.可用纤维素酶制剂代替微生物A起作用
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解析　微生物A所用碳源为纤维素，微生物B所用碳源为纤维素降解物。
16.(2021·河北石家庄二中高二下期中)发酵工程的第一个重要工作是选择优良的单一纯种。消灭杂菌，获得纯种的方法包括
A.根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸
B.根据微生物缺乏生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子
C.根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基
D.根据微生物对抗生素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗生素
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解析　根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸(DNA和RNA)并不会直接影响到微生物自身的遗传组成，即使其被微生物利用，也是被分解为核苷酸后才能利用，所以培养基中加入不同比例的核酸，不会对微生物起选择作用，A错误。
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17.青霉素作为治疗细菌感染的药物，是20世纪医学上的重大发现，是抗生素工业的首要产品。[注：冷冻干燥孢子：在极低温度(－70 ℃左右)、真空干燥状态下保藏的菌种。米孢子：生长在小米或大米培养基上的孢子。]
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据图回答下列问题：
(1)目前发酵生产中常用的高产青霉素菌种是通过____________________方法选育的。据图可以判断青霉菌的代谢类型是___________，生殖方式为__________。
诱变育种(人工诱变)
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解析　青霉素高产菌株是通过诱变育种获得的，原理是基因突变。青霉菌是需氧型生物，不能自己制造有机物，故代谢类型为异养需氧型。由图可知，青霉菌的生殖方式为孢子生殖。
(2)种子罐2又叫繁殖罐，可推测②属于发酵工程中的_________阶段。发酵罐接种____(填“前”或“后”)，必须进行灭菌处理。
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扩大培养
前
解析　种子罐2又叫繁殖罐，推测②属于发酵工程中的扩大培养阶段。为了避免杂菌污染，发酵罐接种前需要进行灭菌处理。
18.谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。回答下列问题：
(1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的是_______(填字母)。
A.噬菌体 B.人类免疫缺陷病毒(HIV)
C.禽流感病毒 D.肺炎链球菌
E.酵母菌 F.硝化细菌
G.乳酸菌
ABCE
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(2)谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢物中出现了大量的乳酸，从发酵条件看，其原因很可能是___________。
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通气量不足
(3)谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的_____，而且还有调节培养液____的作用，所以应该分次加入。
氮源
pH
(4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气，并通过搅拌使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中，当培养基中碳氮比为4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳氮比为3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下，谷氨酸棒状杆菌代谢物是乳酸或琥珀酸。由此说明谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是_____________
___，由上述探究可知，通过发酵得到大量谷氨酸的发酵思路是________
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异养兼性厌氧
型
不断向发
酵液中通入无菌空气，发酵液中碳氮比为4∶1培养一段时间使菌种大量繁殖，后将培养液的碳氮比改为3∶1(改变细胞质膜的通透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外)
本课结束