1.3发酵工程及其应用课件2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3.ppt

1、【问题情境【问题情境】单价：单价：1元元问题：问题：在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？青霉素制剂青霉素制剂发酵工程。即利用微生物的特定的功能，通过现发酵工程。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。代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。一、发酵工程的基本环节一、发酵工程的基本环节任务一：自主阅读教材任务一：自主阅读教材P22-23页，完成下列表格：页，完成下列表格：环节环节归纳关键点归纳关键点菌种选育菌种选育自然界中、诱变育种、基因工程育种自然界中、诱变育种、基因工程育种扩大培养扩大培养接种体积所需体积大接种体积所需体积大

2、培养基的配置培养基的配置反复实验确定反复实验确定灭菌灭菌发酵设备、培养基发酵设备、培养基环节环节归纳关键点归纳关键点接种接种发酵发酵计算机控制发酵条件：温度、计算机控制发酵条件：温度、 pH、溶解氧、通气量、营养。、溶解氧、通气量、营养。反馈控制。反馈控制。分离、提纯产物分离、提纯产物微生物细胞：过滤、沉淀微生物细胞：过滤、沉淀获得产品获得产品代谢物：产物性质代谢物：产物性质一、发酵工程的基本环节一、发酵工程的基本环节任务一：自主阅读教材任务一：自主阅读教材P22-23页，完成下列表格：页，完成下列表格：任务二：发酵工程基本环节分析任务二：发酵工程基本环节分析（一）菌种选育（一）菌种选育 讨论

3、讨论1：某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面：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？工程中菌种选育的重要性有什么启示？提示：提示：菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。菌种是影响发酵工程产物品质的首要因素。 讨论讨论2：微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，：微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考

4、虑哪些因素？需要考虑哪些因素？1.生产需要生产需要(微生物的繁殖速度快、代谢产物的产量高等微生物的繁殖速度快、代谢产物的产量高等)2.菌种不易变异、退化等菌种不易变异、退化等3.发酵条件易控制发酵条件易控制4.考虑气候条件、发酵装置等考虑气候条件、发酵装置等（二）扩大培养（二）扩大培养讨论讨论1：扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的：扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？培养基？液体培养基。可以使微生物与营养物质充分接触，提高营养物液体培养基。可以使微生物与营养物质充分接触，提高营养物质的利用率，有利于微生物的繁殖。质的利用率，有利于微生物的繁殖。任务二：发酵工程

5、基本环节分析任务二：发酵工程基本环节分析（三）培养基的配置和灭菌（三）培养基的配置和灭菌（1）配制要求）配制要求 结合菌种代谢特点，结合菌种代谢特点，选择原料制备培养基；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实验才能确定（即不断在生产实践中，培养基的配方要经过反复实验才能确定（即不断优化优化培养基培养基）；）；（2）灭菌原因）灭菌原因 发酵工程种所用的菌种大多是发酵工程种所用的菌种大多是_，一旦有杂菌污染，一旦有杂菌污染，可能导致可能导致_单一菌种单一菌种品质、产量大大降低品质、产量大大降低（3）灭菌目的）灭菌目的避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量避免因杂菌污染而影响产品

6、的品质和产量任务二：发酵工程基本环节分析任务二：发酵工程基本环节分析（四）接种（四）接种将将_的菌种投的菌种投放到放到_中中扩大培养后扩大培养后发酵罐发酵罐任务二：发酵工程基本环节分析任务二：发酵工程基本环节分析（五）发酵（五）发酵讨论讨论1：结合教材结合教材P23页的发酵罐示意图，思考怎样对发酵条件页的发酵罐示意图，思考怎样对发酵条件进行调控以满足微生物生长的需要？进行调控以满足微生物生长的需要？ 反复试验确定培养基的配方；反复试验确定培养基的配方； 对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；对培养基和发酵设备进行严格的灭菌； 随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等（随时检测培养液中微生物的数量、

7、产物浓度等（了解发酵进程了解发酵进程）；）； 及时添加必需的营养组分；及时添加必需的营养组分； 严格控制温度、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，以及反馈控制条件进行监测和控制，以及反馈控制任务二：发酵工程基本环节分析任务二：发酵工程基本环节分析讨论讨论2：为什么要严格控制发酵条件？为什么要严格控制发酵条件？1. 环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；谷氨酸发酵谷氨酸发酵在在_和和_条件下会积累谷氨酸；条件下会积累

8、谷氨酸；在在_条件下则容易生成谷氨酰胺和条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；乙酰谷胺酰胺；中性中性弱碱性弱碱性酸性酸性2. 严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态 讨论讨论3：与传统发酵技术相比，与传统发酵技术相比，现代发酵工程使用的发酵罐现代发酵工程使用的发酵罐的优点是什么的优点是什么? 有有_，能对发酵过程中的温度、，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行_和和_，还可以进行还可以进行_，使发酵全过程处于，使发酵全过程处于_；计算机控制系统计算机

9、控制系统监测监测控制控制反馈控制反馈控制最佳状态最佳状态讨论讨论4：在进行发酵生产时在进行发酵生产时, 排出的气体和废弃培养液等能直接排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗排放到外界环境中吗? 为什么为什么?不能。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化不能。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备设备,达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为有些气达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。（六）分离、提纯产物（六）分离、提纯产物 讨论讨论1：在产物分离和提

10、纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比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？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、过滤等方法来分离提纯产物。沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。 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、膜分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯

11、段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；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。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。任务二：发酵工程基本环节分析任务二：发酵工程基本环节分析 讨论讨论2：结合刚刚的分析，思考发酵工程相比传统发酵：结合刚刚的分析，思考发酵工程相比传统发酵技术，技术，有什么优点？有什么优点？发酵工程的优点发酵工程的优点 生产条件温和；生产条件温和； 原料来源丰富且价格低廉；原料来源丰富且价格低廉

12、； 产物专一；产物专一； 废弃物对环境的污染小和容易处理；废弃物对环境的污染小和容易处理；二、发酵工程的应用二、发酵工程的应用任务一：自主阅读教材任务一：自主阅读教材P24-27页的内容，完成下列表格。页的内容，完成下列表格。 具体应用具体应用成果成果食品食品 传统的发酵产品传统的发酵产品酱油（霉菌）、酒类（酵母）酱油（霉菌）、酒类（酵母）医药医药食品添加剂食品添加剂酶制剂酶制剂工程菌工程菌改造菌种改造菌种柠檬酸（黑曲霉）、谷氨酸（谷氨柠檬酸（黑曲霉）、谷氨酸（谷氨酸棒状杆菌）酸棒状杆菌）淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等肽酶等生长激素释放抑制激素生长激素释放抑制激

13、素青霉素青霉素疫苗疫苗乙型肝炎疫苗乙型肝炎疫苗 具体应用具体应用成果成果农牧业农牧业肥料肥料农药农药饲料饲料其他方面其他方面解决资源短缺和解决资源短缺和环境污染问题环境污染问题对极端微生物的对极端微生物的利用利用根瘤菌肥、固氮菌肥（根瘤菌肥、固氮菌肥（根瘤菌和固氮菌根瘤菌和固氮菌）多种农林虫害（多种农林虫害（苏云金杆菌苏云金杆菌）、玉米螟和）、玉米螟和松毛虫（松毛虫（白僵菌白僵菌）、水稻枯纹病（井冈霉素）、水稻枯纹病（井冈霉素）淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得微生物菌体发酵获得微生物菌体酒精、乙烯（纤维素废料）酒精、乙烯（纤维素废料）洗涤

14、剂（洗涤剂（嗜热菌、嗜盐菌嗜热菌、嗜盐菌）任务二：啤酒工业化生产流程任务二：啤酒工业化生产流程阅读教材阅读教材P24-25页啤酒的工业化生产流程，思考并讨论下列问题：页啤酒的工业化生产流程，思考并讨论下列问题： 讨论讨论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工程手段使啤酒的产量和质量明显提高? 讨论讨论2. 现在市面上流行一种现在市面上流行一种“精酿精酿”啤酒。啤酒。它的制作工艺与普通啤酒它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品有所不同，如

15、一般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。有人认为饮用添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿精酿”啤酒比饮用啤酒比饮用“工业工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题啤酒更健康，你怎么看待这个问题?“精酿精酿啤酒是小规模酿造产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地看待大规模生产与小规模制作? 讨论讨论1. 与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，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

16、程手段使啤酒的产量和质量明显提高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。等，都有助于提高啤酒的产量和品质。 讨论讨论2. 现在市面上流行一种现在市面上流行一种“精酿精酿”啤酒。它的制作工艺与普通啤啤酒。它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加酒有所不同，如一般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。有人认为饮用食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿精酿”啤

17、酒比啤酒比饮用饮用“工业工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题啤酒更健康，你怎么看待这个问题?“精酿啤酒是小规模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，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。另一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，

18、存在啤酒品质不稳定、价格昂方面，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。贵的问题。三、联系生活三、联系生活 列出你昨天一天的食谱，看看哪些食品是直接由微生列出你昨天一天的食谱，看看哪些食品是直接由微生物发酵生产的，哪些食品中添加了经发酵生产的食品添加物发酵生产的，哪些食品中添加了经发酵生产的食品添加剂。并且记录下来、相互交流。剂。并且记录下来、相互交流。四、拓展应用四、拓展应用 在青霉素的发酵生产过程中在青霉素的发酵生产过程中,人们遇到了两个问题。请你运用所学人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料知识或查阅资料, 并发挥想象力并发挥想象力, 提出解决这些问题的思

19、路。提出解决这些问题的思路。 (1) 青霉素发酵是高耗氧过程青霉素发酵是高耗氧过程,如何能够乙醇保证在发酵过程中给微如何能够乙醇保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢生物持续高效地供氧呢? (提示提示: 血红蛋白具有携带血红蛋白具有携带O2的能力的能力)可以用基因工程的方法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。体对氧的吸收和利用率。 (2) 在发酵过程中在发酵过程中, 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途径的研究发现, 在青霉素与头孢霉素的合成过程中在青霉素与头孢霉素的合成过程中, 它们有一个共同的前它们有一个共同的前体体,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青霉素，或者只生产头孢霉素？生产菌使其只生产青霉素，或者只生产头孢霉素？可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因, 从而使青从而使青霉素生产菌只生产一种产物。霉素生产菌只生产一种产物。