1.3 发酵工程及其应用课件（共30张PPT2个视频）2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

(共30张PPT)
第三节 发酵工程及其应用
第1章　发酵工程
人教版高中生物 选择性必修3
学习目标
1.通过分析现代工业发酵的原理、它与传统发酵技术的区别及其用到的现代化的工程技术，建构发酵工程的概念，概述发酵工程的基本环节。
2.发展工程思维，认同发酵工程为人类提供了多样的生物产品。
情境视频
发酵工程
发酵工程的基本环节
一
发酵工程的应用
二
目录
一
发酵工程的基本环节
一
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、pH、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
利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，
生产对人类有用的物质的技术体系。 ——发酵工程
一
发酵工程的基本环节
一
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
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
现代发酵工程使用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、　　　　　、罐压、通气量、搅拌、泡沫和　　　等进行监测和控制；还可以进行　　控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵罐内发酵
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。
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。
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。
生产青霉素
黄青霉
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。
一
发酵工程的基本环节
一
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
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、　　　　、罐压、通气量、搅拌、泡沫和　　　等进行监测和控制；还可以进行　　控制，使发酵全过程处于最佳状态。
分离、提纯产物
获得产品
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、　　　　等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的　 ，要严格控制温度、pH和　 __ 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。
产物浓度
营养组分
溶解氧
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用　　　、沉淀等方法将菌体分离和　　　，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的　　　采取适当的提取、分离和　　措施来获得产品。
溶解氧
营养
反馈
过滤
干燥
性质
纯化
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
一边阅读，一边完成学案上的表格
某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示
我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。
优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。
一
发酵工程的基本环节
一
发酵工程基本环节分析及应用
任务
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发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
发酵工程基本环节分析及应用
任务
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
①反复试验确定培养基的配方；②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；④及时添加必需的营养组分；⑤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
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。
发酵工程基本环节分析及应用
任务
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不是单一组分，而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。
在发酵工程中，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、沉淀等方法将菌体从发酵液中分离出来。如果产品是代谢物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
发酵工程基本环节分析及应用
任务
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？
不能直接排放到外界环境中；
因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。
为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废气培养液进行二次清洁或灭菌处理。
发酵工程的基本环节
一
发酵工程的应用
二
目录
一
发酵工程的应用
二
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
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
利用黑曲霉生产柠檬酸
谷氨酸棒状杆菌生产味精
利用黑曲霉生产酱油
利用酵母菌生产酒类
淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等
一
发酵工程的应用
二
传统的发酵产品
明显提高产品的产量和质量
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
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品产量等方面
(一)在食品工业上的应用
酶制剂
一
发酵工程的应用
二
啤酒的工业化生产流程
产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌
一
发酵工程的应用
二
加啤酒花
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
在低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。
讨论1：酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖；
“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。
啤酒的工业化生产流程
主发酵
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
后发酵
冷却
过滤
接种
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活
产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌
一
发酵工程的应用
二
加啤酒花
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
在低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。
讨论2：发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，这是发生了什么变化吗？
酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
啤酒的工业化生产流程
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
消毒
终止
后发酵
冷却
过滤
接种
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活
一
发酵工程的应用
二
人们可以采用基因工程等的方法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。
改造菌种
人们可以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;
工程菌
科学家还利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用
疫苗
利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素
未来可能用微生物来生产过去只能从植物中提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物
将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产疫苗
(二)医药工业上的应用
一
发酵工程的应用
二
微生物饲料
微生物农药
微生物肥料
根瘤菌肥 固氮菌肥等
苏云金杆菌等
单细胞蛋白等
增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，抑制土壤中病原微生物的生长
生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。
生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
(三)在农牧业上的应用
一
发酵工程的应用
二
解决资源短缺和环境污染问题
对极端微生物的利用
(四)在其他方面的应用
一
发酵工程的应用
二
提示：在农业生产中，可以利用农作物废弃物生产食用菌，利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料；在植物保护方面,应用微生物产生的抗生素来生产生物农药，治理病虫害等。
1.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。
提示：利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾，利用发酵工程使烟气脱硫，还可以利用微生物工程除臭等。
2.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。
思考
核心归纳
发酵工程 传统发酵技术
不 同 点 菌种 通过微生物 技术筛选或其它技术生产的优良菌种，大多是 菌种 原材料中天然存在的 菌种
发酵方式 发酵为主 固体发酵或__________发酵为主
对发酵条件的控制 严格_______操作，防止杂菌污染。通过 技术对发酵条件精确地控制，使发酵条件处于最佳状态。 不是无菌操作，容易受到 染。对发酵条件不能严格控制，易受 影响。
生产规模和产品 生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本_____，产物_____，产量_____。 通常是 或作坊式的，产量低。生产往往受 和原料限制。产品风味品种比较_____，质量 。
相同点 都是利用了__________的作用 联系 发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的 纯培养
单一
混合
液体
半固体
无菌
现代工程
杂菌
外界条件
低
多样
高
家庭式
季节
单一
不稳定
微生物
(1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯(　　)
×
发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
(2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺(　　)
(3)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率(　　)
√
×
发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。
(4)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理(　　)
×
发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，且废弃物对环境污染小，容易处理。
(5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌(　　)
×
生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉，而不是乳酸菌。
跟踪训练
√
1.(2023·安徽安庆高二期末)发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，下列说法不正确的是
A.①为诱变育种，②为萃取
　(或蒸馏或离子交换等)
B.赖氨酸或谷氨酸的生产过程中
为使产物源源不断地产生，可采
用连续培养的发酵方式
C.由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量
D.人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件
跟踪训练
人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物的遗传特性、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等，D错误。
跟踪训练
2.(2023·河南濮阳高二期中)下列有关发酵工程的叙述，正确的是
A.与传统发酵技术不同，发酵工程可以利用微生物来进行发酵
B.利用谷氨酸棒状杆菌发酵产谷氨酸时需在中性或弱碱性条件下
C.利用微生物农药是一种很重要的化学防治手段
D.培养基或发酵设备消毒后方可进行接种
√
发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵，A错误；
微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，是一种很重要的生物防治手段，C错误。
发酵工程
基本环节
应用
配制培养基
灭菌
接种
选育高产菌种
扩大培养
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
食品工业
医药工业
生产传统发酵食品
农牧业
其他方面
生产食品添加剂
生产酶制剂
微生物肥料
微生物农药
微生物饲料
解决资源短缺
与环境污染问题
极端微生物利用
生产酶
氨基酸
激素
免疫调节剂
课堂小结
本堂课你学到了哪些知识？画出概念图进行总结