【課件】發(fā)酵工程及其應(yīng)用 2023-2024學(xué)年高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

第4課時(shí)第1章

發(fā)酵工程發(fā)酵工程及其應(yīng)用人教版選擇性必修31.能概述發(fā)酵工程及其基本環(huán)節(jié)2.能舉例說(shuō)明發(fā)酵工程在生產(chǎn)上有重要的應(yīng)用能概述發(fā)酵工程及其基本環(huán)節(jié)任務(wù)：（一）帶著以下問(wèn)題觀看醋廠制醋視頻，構(gòu)建發(fā)酵基本環(huán)節(jié)的流程圖目標(biāo)一1.醋廠制醋主要包括哪些環(huán)節(jié)？2.醋廠生產(chǎn)時(shí)使用的原料是什么？使用了哪些菌種？生產(chǎn)過(guò)程中如何防止雜菌污染？3.醋廠如何控制發(fā)酵條件？怎樣對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)？又是如何分離和提純發(fā)酵產(chǎn)物的？4.對(duì)于發(fā)酵產(chǎn)生的氣體和廢棄的培養(yǎng)液，醋廠是怎樣處理的？【思考】【提示】2024/1/221.選育菌種：性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來(lái)，也可以通過(guò)誘變育種或基因工程育種獲得。生產(chǎn)檸檬酸就需要篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉。在啤酒生產(chǎn)中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速發(fā)酵過(guò)程，縮短生產(chǎn)周期。2.擴(kuò)大培養(yǎng)：工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發(fā)酵之前還需要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。3.配制培養(yǎng)基：在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定。4.滅菌：發(fā)酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。例如，在青霉素生產(chǎn)過(guò)程中如果污染了雜菌，某些雜菌會(huì)分泌青霉素酶將青霉素分解掉。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌。5.接種：將擴(kuò)大培養(yǎng)的菌種投放到發(fā)酵罐中發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)6.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過(guò)程中，要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分，要嚴(yán)格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，而且會(huì)影響微生物代謝物的形成。例如，谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)：在中性和弱堿性條件下會(huì)積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。電動(dòng)機(jī)排氣管pH計(jì)冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管閥門(mén)培養(yǎng)物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進(jìn)入口優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的大型發(fā)酵罐均有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；還可以進(jìn)行反饋控制，使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。2024/1/227.分離、提純產(chǎn)物：如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用過(guò)濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施來(lái)獲得產(chǎn)品。8.獲得產(chǎn)品（二）請(qǐng)根據(jù)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)和發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu),思考回答下列問(wèn)題【提示】①原料方面：廣，轉(zhuǎn)化率高；②產(chǎn)物方面：目的產(chǎn)物含量高，副產(chǎn)物少；③菌體方面：菌體生長(zhǎng)快，繁殖力強(qiáng)，耐受力強(qiáng)，抗污染、抗噬菌體能力強(qiáng)，遺傳特征穩(wěn)定；1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)需要考慮哪些因素？【思考與討論】④設(shè)備方面：產(chǎn)泡沫少，適宜大罐生產(chǎn)；生產(chǎn)周期短，需氧量少，抗污染能力強(qiáng)。2.怎么對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要？【思考與討論】【提示】①水分調(diào)節(jié)

②發(fā)酵溫度調(diào)節(jié)

③PH值

④溶解氧

⑤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等3.在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比有哪些改進(jìn)之處？【提示】傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)獲得的產(chǎn)物一般不是單一的組分，而是成分復(fù)雜的混合物，很多時(shí)候不會(huì)再對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純處理，或者僅采用簡(jiǎn)單的沉淀、過(guò)濾等方法來(lái)分離和提純產(chǎn)物。在發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。在產(chǎn)物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法；在進(jìn)一步純化階段，會(huì)采用液相層析法、結(jié)晶法等方法。發(fā)酵工程產(chǎn)物無(wú)論是代謝物還是菌體本身，都需要進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后才能成為正式產(chǎn)品?！局R(shí)生成】任務(wù)：自主學(xué)習(xí)課本P24—27，舉例概括發(fā)酵工程在食品、醫(yī)藥、農(nóng)牧業(yè)及其他方面的應(yīng)用，并完成相關(guān)表格。能舉例說(shuō)明發(fā)酵工程在生產(chǎn)上有重要的應(yīng)用目標(biāo)二具體應(yīng)用成果在食品工業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品

生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑

生產(chǎn)酶制劑

在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用通過(guò)工程菌生產(chǎn)藥物

通過(guò)改造菌種生產(chǎn)藥物

在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)微生物肥料

生產(chǎn)微生物農(nóng)藥

在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用生產(chǎn)微生物飼料

在其他方面的應(yīng)用解決資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題

對(duì)極端微生物的利用【思考與討論】1.在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，人們遇到了兩個(gè)問(wèn)題。請(qǐng)你運(yùn)用所學(xué)知識(shí)或查閱資料，并發(fā)揮想象力，提出解決這些問(wèn)題的思路。（1）青霉素發(fā)酵是高耗氧過(guò)程，如何能夠保證在發(fā)酵過(guò)程中給微生物持續(xù)高效地供氧呢？（提示：血紅蛋白具有攜帶O2的能力）（2）在發(fā)酵過(guò)程中，總有頭孢霉素產(chǎn)生。人們通過(guò)對(duì)青霉素生產(chǎn)菌代謝途徑的研究發(fā)現(xiàn)，在青霉素與頭孢霉素的合成過(guò)程中，它們有一個(gè)共同的前體，這個(gè)前體經(jīng)過(guò)兩種不同酶的作用分別合成兩個(gè)產(chǎn)物。如何改造青霉素生產(chǎn)菌使其只生產(chǎn)青霉素，或者只生產(chǎn)頭孢霉素呢？【提示】（1）可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉(zhuǎn)入青霉素生產(chǎn)菌來(lái)提高菌體對(duì)氧的吸收和利用率。（2）可以對(duì)兩種酶的基因進(jìn)行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產(chǎn)菌只生產(chǎn)一種產(chǎn)物。2.通過(guò)微生物發(fā)酵，可以將糧食（如玉米、小麥等）及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我國(guó)多地廣泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的環(huán)保性令人稱道。調(diào)查顯示，使用乙醇汽油與使用普通汽油相比，排放到空氣中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人認(rèn)為燃料乙醇“可再生”；但也有人認(rèn)為，生產(chǎn)燃料乙醇需要消耗大量糧食，會(huì)增加糧食短缺的風(fēng)險(xiǎn)。請(qǐng)你嘗試通過(guò)查閱資料，評(píng)估這一風(fēng)險(xiǎn)，并說(shuō)明在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)如何規(guī)避這風(fēng)險(xiǎn)。【提示】學(xué)生通過(guò)查找資料可以知道，這一風(fēng)險(xiǎn)是存在的。在生產(chǎn)燃料乙醇時(shí)，為了規(guī)避這一風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該使用陳化糧食（如陳化的稻谷等）或者非糧食生物材料（如秸秤等）。使用陳化糧食來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇，還有利于防止問(wèn)題糧食流人市場(chǎng)。【思考與討論】1.樣品稀釋倍數(shù)是不是越大越好,如何選擇合適的稀釋倍數(shù)?【提示】樣品稀釋液的最佳濃度為獲得的每個(gè)平板上有30~300個(gè)菌落,該稀釋度水平上,細(xì)菌一般為104、105、106倍的稀釋液,放線菌一般為103、104、105倍的稀釋液,真菌一般為102、103、104倍的稀