1.3发酵工程及其应用（共29张ppt）高中生物人教版(2019)选择性必修3

(共29张PPT)
从社会中来 P22
青霉素的生产
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。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，1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
发酵工程
亚历山大·弗莱明
英国1881-1955
青霉素之父
1945年获诺贝尔生理学医学奖
第1章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
01发酵工程的基本环节发酵工程：P1是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。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、提纯产物获得产品基本环节：发酵工程的基本环节在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。生产柠檬酸生产啤酒生产味精黑曲霉啤酒酵母谷氨酸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。接种选育菌种配制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。01
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在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件容易控制；
④菌种不易变异、退化等。
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
要对温度、pH和溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养组分。
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
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？
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。
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？
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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。
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。发酵工程产物，无论是代谢物还是菌体本身，最后都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
发酵工程的应用
发酵工程的特点：
生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点。
发酵工程的应用：
农牧业
医药工业
食品工业
其他方面的应用
1.生产传统发酵产品酱油大豆(主要原料)黑曲霉(蛋白酶)小分子肽和氨基酸淋洗、调制(1)酱油的生产谷物或水果酿酒酵母各种酒类(2)各种酒类的生产在食品工业上的应用发酵工程的应用022.生产各种各样的食品添加剂增加食品的营养改善食品的口味、色泽和品质延长食品的保存期食品添加剂的作用在食品工业上的应用发酵工程的应用023.生产酶制剂在食品工业上的应用食品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提高产品产量酶制剂的作用α-淀粉酶β-淀粉酶果胶酶脂肪酶氨基肽酶……酶制剂发酵工程的应用02 啤酒的工业化生产流程
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。
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
消毒
终止
后发酵
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
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。
啤酒的工业化流程
思考·讨论
思考·讨论
啤酒的工业化生产流程
啤酒的工业生产流程
【酿制啤酒的原理】
啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的。
思考·讨论
1.与传统的手工发酵相比，在下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，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,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
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
在医药工业上的应用基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合动植物的基因微生物直接改造微生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发酵工程生产的药物发酵工程的应用023.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
【作用】
①利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生活活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。
②利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
【种类】
根瘤菌肥、固氮菌肥
二、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
（2）生产微生物农药
【防治类型】
【原理】
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
生物防治
【实例】
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
二、发酵工程的应用
项目 微生物农药防治 化学农药防治
防治机理
优点
缺点
利用微生物或代谢物进行防治
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，操作简单
成本高，污染环境，不利于维持生态平衡
微生物农药防治和化学农药防治的比较
二、发酵工程的应用
（3）生产微生物饲料
【原理】
微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。
3.在农牧业上的应用
单细胞蛋白生产过程：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微生物。
应用：用酵母菌生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂；
单细胞蛋白制成微生物饲料，提高家禽增重快，产奶量或产蛋量高。
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。
①实例1—单细胞蛋白
②实例2-乳酸菌
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。
二、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）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。发酵工程的应用02课堂小结
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物、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。（ ）
×
√
√
×
一、概念检测
练习与应用
二
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
三
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（P30）
四
（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
呈S形增长
复习与提高（P30）
四
（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
（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。
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10 mL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0.1 mL，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（P30）
四
（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（P30）
四
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。
③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？
③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。
（3）在完善实验设计思路后，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）
四