1.3 发酵工程及其应用 (教学课件)——高中生物学人教版(2019)选择性必修三(共21张PPT)

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名称 1.3 发酵工程及其应用 (教学课件)——高中生物学人教版(2019)选择性必修三(共21张PPT)
格式 pptx
文件大小 3.0MB
资源类型 试卷
版本资源 人教版(2019)
科目 生物学
更新时间 2024-07-29 13:03:00

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文档简介

(共21张PPT)
第1章发酵工程
第3节发酵工程及其应用
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问题探讨
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
扩大
培养
接种一
灭菌
选育高 产菌种
配制培 养基
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青霉素
获得产品
分离、提 纯产物
发酵罐 内发酵
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。
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1.选育菌种: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。生产柠檬酸就需
要筛选产酸量高的黑曲霉。在啤酒生产 中,使用基因工程改造的啤酒酵母,可 以加速发酵过程,缩短生产周期。
4.灭菌:发酵工程中所用的菌种大多是 单一菌种。一旦有杂菌污染,可能导致 产量大大下降。例如,在青霉素生产过 程中如果污染了杂菌,某些杂菌会分泌 青霉素酶将青霉素分解掉。因此,培养 基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
2.扩大培养: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。
3.配制培养基: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。
5.接种:
将扩大
培养的
菌种投
放到发
酵罐中
一、发酵工程的基本环节
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6.发酵罐内发酵: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 的微生物数量、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,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。例 如, 谷氨酸的发酵生产:在中性和弱碱性条件 下会积累谷氨酸;在酸性条件下则容易形 成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
优点: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、阀门 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202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
O 一空气入口
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
7.分离、提纯产物: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。
8.获得产品
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思考·讨论·发酵工程基本环节分析
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
需要考虑的因素包括:在低成本的培养基上能迅速生长繁殖;生 产所需代谢物的产量高;发酵条件容易控制;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、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。
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的组分,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,或者仅采用简 单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。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、
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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,都 需要进行质量检查,合格后才能成为正式产品。
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。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弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
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二、发酵工程的应用
发酵工程的优点:
①生产条件温和;②原料来源丰富且价格低廉;
③产物 专 一 ;④废弃物对环境的污染小和容易处理。 因此,发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等
许多领域得到了广泛的应用,形成了规模庞大的发酵工 业 。
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1.在食品工业上的应用
(1) 生产传统的发酵产品:如酱油、各种
酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量
明显提高。
实例:①以大豆为主要原料,利用产生蛋白
酶的霉菌(如黑曲霉),将原料中的蛋白质水
解成小分子的肽和氨基酸,然后经淋洗、调
制成的酱油产品。
②以谷物或水果等为原料,利用酿酒酵母发
酵生产的各种酒类。
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思考·讨论·啤酒的工业化生产流程
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。
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 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 间题。
(2) 生产各种各样的食品添加剂。 食品添加剂不仅可以增加食品的营 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。
实例:①柠檬酸是一种广泛应用的 食品酸度调节剂,可以通过黑曲霉 的发酵制得。
②由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到 谷氨酸,谷氨酸经过一系列处理就 能制作味精。
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
乳酸链球菌素、溶菌酶
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(3) 生产酶制剂。常用的酶制剂如α-淀 粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和 脂肪酶等。
①应用 : 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。 ②来 源 :少数由动植物生产,绝大多数通 过发酵工程生产。
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请你回忆一下自己做过的生物学实验,想一 想曾经使用过哪些酶制剂。
淀粉酶等。
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2.在医药工业上的应用
(1) 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。
(2) 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。
(3)实例:①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放 抑制激素;②利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫 杉醇、青蒿素前体等化合物;③利用基因工程改造的微生物生 产疫苗。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。
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(2) 生产微生物农药。与传统的化学农药不同,
微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害
的。微生物农药作为生物防治的重要手段。
实例:苏云金杆菌 —→ 防治80多种农林虫害。
白 僵 菌—→ 防治玉米螟、松毛虫等虫害。
2023/213井冈霉素(一种放线菌产生的抗生素)一防治水稻枯纹病。
3.在农牧业上的应用
(1) 生产微生物肥料。利用了微生物在代谢过程 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,促进植物生长,常见的有根瘤菌肥、 固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病 原微生物的生长,从而减少病害的发生。
殖速度很快。
实例:①单细胞蛋白: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菌体。
单细胞蛋白的应用:食品添加剂、微生物 饲料等。
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。
3.在农牧业上的应用
(3) 生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质,且生长繁
单细胞蛋白
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4.在其他方面的应用
(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
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(如高温、高压、高盐和低温等环境)中 正常生活。
例如嗜热菌、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。
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课堂练习
1.下列不是发酵过程中要完成的是( B )
A.随时取样检测培养液中的微生物数量及产物浓度
B.不断添加菌种
C.及时添加必需的营养组分
D.严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等条件 2.发酵过程中,不会直接引起pH变化的是( C )
A.营养物质的消耗 B.微生物释放出的CO
C.微生物细胞数目的增加 D.代谢产物的积累
3. 发酵罐发酵的过程中,使温度升高的热量来源于( D )
①冷却水供应不足②微生物代谢旺盛③培养基不新鲜④搅拌
⑤放料口排出产物
A.①②③④⑤ B.②③④ C.①④ D.②④
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课堂练习
4.下列不属于发酵工程应用的是( c )
A.利用工程菌生产人生长激素释放抑制激素
B.利用啤酒酵母酿造啤酒
C.用培养的人细胞构建人造皮肤
D.用酵母菌生产作为食品添加剂的单细胞蛋白
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拓展应用
1. (1) 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) 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. 这一风险是存在的。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。
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