人教版（2019）选择性必修3 1.3 发酵工程及其应用（共34张ppt）

(共34张PPT)
第3节 发酵工程及其应用
本节聚焦:
什么是发酵？
发酵工程的一般流程是什么？
发酵工程在生产上有哪些重要的价值？
第一章 发酵工程
【问题情境】
问题：在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
发酵工程。即利用微生物的特定的功能，通过现
代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
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。
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。
微生物纯培养技术的建立
密闭式发酵罐的设计成功
人们对发酵原理的认识
发酵工程形成
问题：发酵工程的基本环节是什么呢？应用发酵工程能够生成哪些产品呢？
4
任务1：结合教材P22~23页图1-9“发酵工程的基本环节和发酵罐示意图”，回答下列问题。
1.酸奶厂制作酸奶主要包括哪些环节？
2.酸奶生产时使用了哪些菌种？可通过哪些途径获得发酵工程使用的优良菌种
3.获得优良菌种后为什么要对菌种进行扩大培养？
4.酸奶厂如何控制发酵条件
从自然界中获取；诱变育种；基因工程
一
发酵工程的基本环节
工业发酵要想在短时间内得到大量的发酵产物，则需要大量菌体，因此需要进行扩大培养
发酵罐内发酵
选育菌种
扩大培养
配置培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、
提纯产物
获得产品
总结：发酵工程的基本环节
发酵工程的中心环节
问题1：怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
问题2：为什么发酵过程中需要严格控制温度、PH和溶解氧等发酵条件？
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，同时及时添加必要的营养组分。
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。
7
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
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
阀门
发酵罐示意图
选育菌种
扩大培养
配置培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、
提纯产物
获得产品
总结：发酵工程的基本环节
问题3：如果发酵产品是微生物细胞本身，如何分离提纯？如果产品是代谢物呢？
发酵产物类型 获得产品的方法
微生物细胞
代谢物
过滤、沉淀等方法
适当的提取、分离和纯化措施
思考·讨论：啤酒的工业化生产流程
工业化生产流程如下图
发芽
1
2
焙烤
3
碾磨
4
糖化
大麦
水
糖化罐
大麦种子发芽，
释放淀粉酶。
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉水解
形成糖浆。
蒸煮
5
6
发酵
7
消毒
8
终止
工业化生产流程如下图
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
酵母菌将糖转化为酒精和CO2
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
糖浆
啤酒花
过滤
冷却
装瓶
装罐
储存罐
一.发酵工程的基本环节
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
加啤酒花
冷却
接种
过滤
主发酵
后发酵
酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。
在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。
总结：啤酒的工业生产流程
讨论
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
加啤酒花
冷却
接种
过滤
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？
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。
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。
应该辩证地看待这一产品。
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
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。
二
发酵工程的应用
任务2：自主阅读教材P24~27，完成下列表格。
具体应用 成果
食品 传统的发酵产品 酱油（霉菌）、酒类（酵母）
医药
农牧业
其他方面
食品添加剂
酶制剂
柠檬酸（黑曲霉）、谷氨酸（谷氨酸棒状杆菌）
淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等
生长激素释放抑制激素、青霉素、乙型肝炎疫苗
根瘤菌肥、固氮菌肥（根瘤菌和固氮菌）
多种农林虫害（苏云金杆菌）、玉米螟（白僵菌）
微生物菌体（单细胞蛋白）
酒精、乙烯（纤维素废料）
洗涤剂（嗜热菌、嗜盐菌）
肥料
农药
饲料
解决资源短缺和环境污染问题
对极端微生物的利用
第一：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
酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
各种酒类的生产
二
发酵工程的应用——食品工业
第二：生产各种各样的食品添加剂
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、溶菌酶
添加了柠檬酸的饮料
增加食品的营养
延长食品的保存期
改善食品的口味、色泽和品质
食品添加剂的作用
二
发酵工程的应用——食品工业
第三：生产酶制剂
食品直接生产
改进生产工艺
简化生产过程
提高产品产量
延长食品储存期
改善产品的品质和口味
②酶制剂的作用
果胶酶
脂肪酶
α-淀粉酶
β-淀粉酶
氨基酸肽酶
… …
①酶制剂
二
发酵工程的应用——食品工业
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
①发酵工程生产的药物
二
发酵工程的应用——医药工业
②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
二
发酵工程的应用——医药工业
①生产微生物肥料
a.微生物肥料：
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。
b.常见微生物肥料：
根瘤菌肥、固氮菌肥
二
发酵工程的应用——农牧业
②生产微生物农药
a.微生物农药：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害。
b.常见微生物农药：
苏云金杆菌(Bt毒蛋白): 防治80多种农林害虫
白僵菌(真菌): 防治玉米螟、松毛虫
放线菌 (井冈霉素): 防治水稻枯纹病
二
发酵工程的应用——农牧业
③生产微生物饲料
单细胞蛋白：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。
青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质，以后我老牛是不是吃点微生物菌体就可以健康地活下去呢
二
发酵工程的应用——农牧业
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。（ ）
×
√
√
×
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。
(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。
污水池中污泥样品
初选
振荡培养若干天后
测定各瓶中化合物A的含量
接种
候选菌
接种
选择
接种
接种
固体
培养基
重复多次，直至获得目的菌。
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)在培养基中加人化合物A的目的是__________________________
_______,这种培养基属于______
培养基。
筛选出可以降解化合物A的
微生物
选择
污水池中污泥样品
初选
振荡培养若干天后
测定各瓶中化合物A的含量
接种
候选菌
接种
选择
接种
接种
固体
培养基
重复多次，直至获得目的菌。
(2)培养若干天后,应选择培养瓶中化合物A含量____________的培养液，接入新的培养液中连续培养，使目的菌的数量_________
显著降低
扩增
(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型增长
污水池中污泥样品
初选
振荡培养若干天后
测定各瓶中化合物A的含量
接种
候选菌
接种
选择
接种
接种
固体
培养基
重复多次，直至获得目的菌。
(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。
(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1×10~1x105;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48 h,统计菌落数目。
(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
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。
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, 1 mL自来水中细菌总数不可以超过100个(37 ℃培养24 h), 1000 mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个(37℃培养48h)】
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。
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
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。
(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______
A
B
C
D
B
(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菌落,并且这种计数方法统计的是活菌的数目。
(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；还要告知卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。