1.3發(fā)酵工程及其應(yīng)用課件-高二下學(xué)期生物人教版（2019）選擇性必修3

第1章

發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1.發(fā)酵工程的概念。2.發(fā)酵工程的一般流程。3.發(fā)酵工程在生產(chǎn)上的價(jià)值。從社會(huì)中來青霉素是世界上第一個(gè)應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學(xué)家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價(jià)格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，一瓶規(guī)格160萬單位青霉素注射劑的價(jià)格只要1元左右。那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？

利用發(fā)酵工程進(jìn)行生產(chǎn)。

發(fā)酵工程是指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術(shù)。1.形成：隨著人們對(duì)發(fā)酵原理的認(rèn)識(shí)，微生物純培養(yǎng)技術(shù)的建立，以及密閉式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)成功，人們能夠在嚴(yán)格控制的環(huán)境條件下，大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，發(fā)酵工程逐步形成。2.基本環(huán)節(jié)：圖1-9

一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：P22-23性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來,也可通過誘變育種或基因工程獲得。(注意：無雜交育種）一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌。中心環(huán)節(jié)分離、提純產(chǎn)物:(1)微生物細(xì)胞：過濾、沉淀等;(2)代謝物：可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)拇胧?。一般為液體培養(yǎng)基，目的:獲得更多的菌種。菌種投放到發(fā)酵罐中。選擇原料制備；配方要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。思考·討論發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析:P23結(jié)合圖1-9，分析和討論以下問題。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？2.怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長需要？需要考慮的因素包括：在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖；生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高；發(fā)酵條件容易控制；菌種不易變異、退化等。要對(duì)溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其最適合微生物的生長繁殖，同時(shí)及時(shí)添加必要的營養(yǎng)成分。思考·討論發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析:P23結(jié)合圖1-9，分析和討論以下問題。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？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，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離和提純產(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。思考·討論發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析:P23結(jié)合圖1-9，分析和討論以下問題。4.在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí),排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎?為什么？不能。因?yàn)樵谶M(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。為了減少或避免污染物的產(chǎn)生和排放，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對(duì)排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進(jìn)行二次能含有有毒物質(zhì)，這些都可能會(huì)污染環(huán)境，對(duì)人體健康造成危害。此外，廢棄培養(yǎng)液中的微生物也可能會(huì)污染水體、感染人體。因此，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等需經(jīng)檢測(cè)、處理后才能排到外界環(huán)境中。發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止主發(fā)酵后發(fā)酵思考·討論啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程:P24-25發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個(gè)階段：主發(fā)酵：酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。后發(fā)酵：主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液

還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境

下儲(chǔ)存一段時(shí)間進(jìn)行后發(fā)酵，這樣才

能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時(shí)間隨啤酒品種和口味要求不同有所差異。思考·討論啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程:P24-25思考·討論啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程:P24討論1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高？2.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝一般不添加食品添加劑、不進(jìn)行過濾和消毒處理等。有人認(rèn)為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個(gè)問題？菌種的選育、對(duì)原材料的處理、發(fā)酵過程的控制、產(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。應(yīng)該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)，能夠滿足一些人對(duì)獨(dú)特口感的需求。另一方面，這類產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價(jià)格昂貴的問題。課堂練習(xí)1．下列不是發(fā)酵過程中要完成的是()A．隨時(shí)取樣檢測(cè)培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量及產(chǎn)物濃度B．不斷添加菌種C．及時(shí)添加必需的營養(yǎng)組分D．嚴(yán)格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉(zhuǎn)速等條件B解析：B選項(xiàng)中發(fā)酵罐內(nèi)微生物在適宜的條件下會(huì)迅速繁殖，因此，發(fā)酵過程中不需要添加菌種。課堂練習(xí)2．發(fā)酵過程中，不會(huì)直接引起pH變化的是(

)A．營養(yǎng)物質(zhì)的消耗B．微生物呼出的CO2C．微生物細(xì)胞數(shù)目的增加D．代謝產(chǎn)物的積累C可能造成酸堿物質(zhì)消耗不均。CO2溶于水形成碳酸。可能會(huì)改變發(fā)酵環(huán)境的酸堿度。課堂練習(xí)3．發(fā)酵罐發(fā)酵的過程中，使溫度升高的熱量來源于(

)①冷卻水供應(yīng)不足②微生物代謝旺盛③培養(yǎng)基不新鮮

④攪拌

⑤放料口排出產(chǎn)物A．①②③④⑤

B．②③④C．①④ D．②④D②呼吸作用會(huì)產(chǎn)生能量其中大部分轉(zhuǎn)變成熱能；④攪拌除了增加溶解氧、加快反應(yīng)速度外，還通過摩擦生熱。

二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（一）發(fā)酵工程的特點(diǎn)：P24

發(fā)酵工程以生產(chǎn)條件溫和、原料來源豐富且價(jià)格低廉、產(chǎn)物專一、廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小和容易處理等特點(diǎn)，在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和農(nóng)牧業(yè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用：P24-26(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品。例如：

醬油、各種酒類等。(2)生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑。

例如：檸檬酸---食品酸度調(diào)節(jié)劑，谷氨酸---制成味精（常用的見P25表1-2）。(3)生產(chǎn)酶制劑.如淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。

二、發(fā)酵工程的應(yīng)用（一）發(fā)酵工程的應(yīng)用2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用：P26青霉素的發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)推動(dòng)了發(fā)酵工程在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

(1)采用基因工程的方法,將植物或動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中,獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物。

(2)直接對(duì)菌種進(jìn)行改造,再通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。

(3)未來可能用微生物生產(chǎn)過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物。(4)利用基因工程將病原體的某個(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入微生物細(xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。

二、發(fā)酵工程的應(yīng)用：P24-27（一）發(fā)酵工程的應(yīng)用3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用：P26-27(1)生產(chǎn)微生物肥料。常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。(2)生產(chǎn)微生物農(nóng)藥。與傳統(tǒng)的化學(xué)農(nóng)藥不同，微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。例如：蘇云金桿菌、白僵菌、井崗霉素（抗生素）。(3)生產(chǎn)微生物飼料。微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，而且細(xì)菌生長繁殖速度很快。因此，許多國家以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細(xì)胞蛋白?？梢宰鳛槭称诽砑觿患涌煸鲋?，提高產(chǎn)量；添加乳酸菌可以提高飼料品質(zhì)，保鮮，提高免疫力。

二、發(fā)酵工程的應(yīng)用：P24-27（一）發(fā)酵工程的應(yīng)用4.在其他方面的應(yīng)用：P27(1)利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)。(2)嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產(chǎn)洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量。

二、發(fā)酵工程的應(yīng)用：P24-27（一）發(fā)酵工程的應(yīng)用

發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在助于解決糧食、環(huán)境、健康和能源等方面的重大問題上，做出了越來越大的貢獻(xiàn)。截至2015年，我國生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)年總產(chǎn)量近2900億元，產(chǎn)品總量位居世界第一。我國是名副其實(shí)的發(fā)酵大國。1.列出你昨天一天的食譜，看看那些食品是直接由微生物發(fā)酵產(chǎn)生的？那些食品中添加了經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的食品添加劑？2.當(dāng)?shù)厥欠裼邪l(fā)酵生產(chǎn)企業(yè)？如果有，請(qǐng)進(jìn)行以下調(diào)查活動(dòng)：（1）咨詢當(dāng)?shù)卣芾聿块T，了解以下信息：這些企業(yè)的年產(chǎn)值是多少？占當(dāng)?shù)貒裆a(chǎn)總值的比例是多少？提供了多少就業(yè)崗位？（2）你的家人和朋友是否有正在從事分解工業(yè)生產(chǎn)的，如果有，咨詢以下問題：他們所在公司目前生產(chǎn)那些分解產(chǎn)品？經(jīng)濟(jì)效益如何？該行業(yè)遇到的主要困難是什么？要解決這些困難，對(duì)分解技術(shù)提出了那些新要求？到社會(huì)中去

思維導(dǎo)圖課堂練習(xí)4.下列不需要利用發(fā)酵工程的是(

)A.生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料B.通過生物技術(shù)培育可移植的皮膚C.利用微生物生產(chǎn)胰島素D.工廠化生產(chǎn)青霉素B課堂練習(xí)5.下列關(guān)于單細(xì)胞蛋白的敘述,正確的是(

)A.是從微生物細(xì)胞中提取的蛋白質(zhì)B.通過發(fā)酵生產(chǎn)的微生物菌體C.是微生物細(xì)胞分泌的抗生素D.單細(xì)胞蛋白不能作為食品B課堂練習(xí)6.下列對(duì)發(fā)酵工程應(yīng)用的描述,錯(cuò)誤的是(

)A.微生物肥料利用了微生物在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來增進(jìn)土壤肥力B.微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的C.微生物飼料主要利用的是微生物菌體D.發(fā)酵工程和基因工程結(jié)合,能生產(chǎn)自然界不存在的蛋白質(zhì)D課堂練習(xí)6.發(fā)酵工程的一項(xiàng)關(guān)鍵措施是滅菌,下列關(guān)于滅菌的敘述,正確的是(

)A.培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備均需要嚴(yán)格滅菌B.滅菌是殺死培養(yǎng)基中的一切細(xì)菌和真菌C.通入無菌空氣可以達(dá)到滅菌的目的D.pH調(diào)到7左右滅菌效果最好A解析:培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌,A項(xiàng)正確;培養(yǎng)基的滅菌是殺死培養(yǎng)基中的一切微生物,B項(xiàng)錯(cuò)誤;為防止雜菌污染,通入的空氣也要是無菌的,但不是通入無菌空氣就可以達(dá)到滅菌的目的,C項(xiàng)錯(cuò)誤;滅菌效果與pH無直接關(guān)系,D項(xiàng)錯(cuò)誤。練習(xí)與應(yīng)用：P28×√√×練習(xí)與應(yīng)用：P28

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)菌來提高菌體對(duì)氧的吸收和利用率。

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。學(xué)生朗讀：P29本章小結(jié)的理解概念，完成復(fù)習(xí)與提高：P30

篩選出可以降解化合物A的微生物選擇顯著降低擴(kuò)增復(fù)習(xí)與提高：P30細(xì)菌計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)S形增長

目的菌能否在自然環(huán)境中大量生長繁殖、是否會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的代謝物、降解化合物A后是否會(huì)產(chǎn)生二次污染等問題都需要研究清楚后，才能進(jìn)行實(shí)踐?？尚小?fù)習(xí)與提高：P30不同意。如果只檢測(cè)一個(gè)冰激凌數(shù)據(jù)太少，不能排除偶然因素的影響。復(fù)習(xí)與提高：P30不同意。如果只檢測(cè)一個(gè)冰激凌數(shù)據(jù)太少，不能排除偶然因素的影響。復(fù)習(xí)與提高：P30

沒有必要。根據(jù)國家的標(biāo)準(zhǔn)，自來水中不得檢出總大腸桿菌群，冰激凌中大腸桿菌數(shù)目也非常少。即使冰激凌中大腸桿菌數(shù)超標(biāo)了，也不可能很離譜，如果進(jìn)行梯度稀釋，最后得到的菌落數(shù)可能不在計(jì)數(shù)要求的范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致結(jié)果誤差大。所以，并不是所有的細(xì)菌檢測(cè)培養(yǎng)都需要進(jìn)行梯度稀釋，而是要根據(jù)實(shí)際情況來確定培養(yǎng)方案。復(fù)習(xí)與提高：P30

需要設(shè)置對(duì)照組。嚴(yán)格來說，應(yīng)該設(shè)置兩組對(duì)照組。一組為陰性對(duì)照組，平板不進(jìn)行涂布或者用無菌水涂