【高中生物】發(fā)酵工程及其應(yīng)用課件+高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

第1章發(fā)酵工程新課導(dǎo)入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，1瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價(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？青霉素◆發(fā)酵工程是指利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代工程技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)對(duì)人類有用的產(chǎn)品，它涉及菌種的選育和培養(yǎng)、產(chǎn)物的分離和提純等方面。選育高產(chǎn)菌種擴(kuò)大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵(發(fā)酵罐內(nèi))分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品◆發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)：新課講解一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)發(fā)酵工程一般包括菌種的選育，擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的配制、滅菌，接種，發(fā)酵，產(chǎn)品的分離、提純等方面。1.選育菌種：獲得優(yōu)良菌種的途徑：①?gòu)淖匀唤绶蛛x(篩選)菌種；②人工培育菌種：采用人工誘變、基因工程等手段。2.擴(kuò)大培養(yǎng)：擴(kuò)大培養(yǎng)：是將培養(yǎng)到對(duì)數(shù)期的菌體分開，分別進(jìn)行培養(yǎng)，以促進(jìn)菌體數(shù)量快速增加，在短時(shí)間里得到大量的菌體。多次這樣處理后，菌體數(shù)量就會(huì)是很多了。3.培養(yǎng)基配制：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)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。新課講解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。這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過程中，要①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②及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分，要③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。6.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵：新課講解如果發(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?、分離和純化措施來獲得產(chǎn)品。7.分離、提純產(chǎn)物：▼提醒：根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)品的不同采用適當(dāng)?shù)姆蛛x提純方法：⑴菌體(微生物細(xì)胞)：采用過濾、沉淀等方法。⑵代謝產(chǎn)物：蒸餾、萃取、離子交換等方法進(jìn)行提取。8.獲得產(chǎn)品▼思考：擴(kuò)大培養(yǎng)與發(fā)酵過程中的培養(yǎng)是否相同？提示：主要在于目的不同：擴(kuò)大培養(yǎng)是為了讓菌種在短時(shí)間內(nèi)快速增殖，以增加接種時(shí)菌種數(shù)量，縮短調(diào)整期，從而縮短生產(chǎn)周期。而發(fā)酵過程中的培養(yǎng)是為了獲得代謝產(chǎn)物。目的不同，則培養(yǎng)的條件就可能不同。思考討論發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析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?提示：需要考慮的因素包括：在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長(zhǎng)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。提示：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(zhǎng)繁殖，同時(shí)及時(shí)添加必要的營(yíng)養(yǎng)組分。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。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？提示：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)行二次清潔或滅菌處理。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(zhǎng)需要?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?新課講解二、發(fā)酵工程的應(yīng)用(一)發(fā)酵工程的特點(diǎn)(優(yōu)點(diǎn))：1.生產(chǎn)條件溫和2.原料來源豐富且價(jià)格低廉3.產(chǎn)物專一4.廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小以及容易處理發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、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)。(二)發(fā)酵工程的應(yīng)用：新課講解1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品：如醬油、各種酒類等。發(fā)酵工程使這些產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高。實(shí)例：①以大豆為主要原料，利用產(chǎn)生蛋白酶的霉菌(如黑曲霉),將原料中的蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸，然后經(jīng)淋洗、調(diào)制成的醬油產(chǎn)品。②以谷物或水果等為原料，利用釀酒酵母發(fā)酵生產(chǎn)的各種酒類。(2)生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑。食品添加劑不僅可以增加食品的營(yíng)養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，有時(shí)還可以延長(zhǎng)食品的保存期。實(shí)例：①檸檬酸是一種廣泛應(yīng)用的食品酸度調(diào)節(jié)劑，可以通過黑曲霉的發(fā)酵制得。②由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸，谷氨酸經(jīng)過一系列處理就能制作味精。添加劑類型舉例酸度調(diào)節(jié)劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5'-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環(huán)狀糊精、結(jié)冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶新課講解(3)生產(chǎn)酶制劑。常用的酶制劑如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶和脂肪酶等。①應(yīng)用：食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等方面。②來源：少數(shù)由動(dòng)植物生產(chǎn)，絕大多數(shù)通過發(fā)酵工程生產(chǎn)。思考討論2023/5/25啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程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?提示：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)。提示：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，或者滿足一些人的時(shí)尚追求。另方面，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。2.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如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？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低和價(jià)格高，卻依然有著市場(chǎng)需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？新課講解2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用(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)實(shí)例：①利用經(jīng)過基因改造的微生物生產(chǎn)生長(zhǎng)激素釋放抑制激素；②利用微生物生產(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；③利用基因工程改造的微生物生產(chǎn)疫苗。將病原體的某個(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。新課講解3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)微生物肥料。利用了微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來①增進(jìn)土壤肥力，②改良土壤結(jié)構(gòu)，③促進(jìn)植物生長(zhǎng)，常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料還可以④抑制土壤中病原微生物的生長(zhǎng)，從而減少病害的發(fā)生。(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。微生物農(nóng)藥作為生物防治的重要手段。實(shí)例：蘇云金桿菌——防治80多種農(nóng)林蟲害。白僵菌——防治玉米螟、松毛蟲等蟲害。井岡霉素(一種放線菌產(chǎn)生的抗生素)——防治水稻枯紋病。(3)生產(chǎn)微生物飼料。微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，且生長(zhǎng)繁殖速度很快。實(shí)例：①單細(xì)胞蛋白：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。單細(xì)胞蛋白的應(yīng)用：食品添加劑、微生物飼料等。②乳酸菌：在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質(zhì)，使飼料保鮮，動(dòng)物食用后還能提高免疫力。新課講解(1)解決資源短缺與環(huán)境污染問題隨著對(duì)纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)已取得成功。(2)將極端微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐自然界中還存在著一定數(shù)量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環(huán)境（如高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）中正常生活。例如嗜熱菌、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。4.在其他方面的應(yīng)用課堂訓(xùn)練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(yíng)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2.發(fā)酵過程中，不會(huì)直接引起pH變化的是（）A.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗B.微生物釋放出的CO2C.微生物細(xì)胞數(shù)目的增加D.代謝產(chǎn)物的積累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