【課件】發(fā)酵工程及其應用第一課時 2023-2024學年高二生物人教版2019選擇性必修3

生物技術與工程發(fā)酵工程基因工程重組DNA技術的基本工具傳統(tǒng)發(fā)酵技術的應用

選擇性必修3《生物技術與工程》細胞工程生物技術的安全性與倫理問題微生物的培養(yǎng)技術及應用動物細胞工程植物細胞工程基因工程的基本操作程序基因工程的運用蛋白質工程的原理和應用轉基因產品的安全性發(fā)酵工程及其應用胚胎工程關注生殖性克隆人、禁止生物武器第1章

發(fā)酵工程Chapter1fermentationengineering第1章

發(fā)酵工程第3節(jié)

發(fā)酵工程及應用（第一課時）學習目標目標010203根據(jù)發(fā)酵產品和利用微生物的不同，討論發(fā)酵工程中的發(fā)酵條件及控制方法。（科學探究）基于發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)和應用實例，闡明發(fā)酵工程的概念。（科學思維）認可發(fā)酵工程在生產上重要的應用價值。（社會責任）微生物的選擇培養(yǎng)和計數(shù)微生物的選擇培養(yǎng)選擇培養(yǎng)基科學實例篩選原因、思路、啟示選擇培養(yǎng)基的原理、概念、類型、舉例選擇培養(yǎng)基的作用微生物選擇培養(yǎng)獲取純培養(yǎng)物的方法-稀釋涂布平板法稀釋涂布平板法的操作過程稀釋涂布平板法的注意事項間接計數(shù)法—稀釋涂布平板法直接計數(shù)—計數(shù)板計數(shù)法培養(yǎng)基的制備實驗設計分析與評價微生物的數(shù)量測定土壤中分解尿素的細菌的分離與計數(shù)（1）土壤取樣（2）樣品的稀釋（3）稀釋涂布平板法接種（4）微生物的培養(yǎng)與觀察溫故知新情境視頻一：從社會中來

一代神藥——青霉素（視頻）青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。問題1:你知道青霉素的歷史嗎？早期科學家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價格貴如金。情境視頻一：從社會中來青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價格貴如金。早期1瓶規(guī)格大概20萬單位的青霉素最高賣到一根金條如今1瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑一元問題2:那么，在工業(yè)上青霉素究竟是怎樣生產的呢？微生物純培養(yǎng)技術的建立密閉式發(fā)酵罐的設計成功人們對發(fā)酵原理的認識發(fā)酵工程形成一、發(fā)酵工程的形成發(fā)酵工程：是指采用現(xiàn)代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業(yè)生產過程的一種新技術。

問題3:發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)是什么？目錄CONTENTS發(fā)酵工程的應用2/發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1/01

發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)

發(fā)酵工程視頻欣賞（視頻）結合圖1-9，完成P23【思考.討論】，簡述發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)的具體內容。怎樣對菌種進行擴大培養(yǎng)？擴大培養(yǎng)所用的培養(yǎng)基，從性質上分類，是什么類型的培養(yǎng)基？生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？怎樣才能得到優(yōu)良菌種？怎樣對發(fā)酵條件進行調控以滿足微生物生長的需要？234

1合作探究一：請同學們自主閱讀教材P22-23，小組合作思考討論完成問題。

二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)選育菌種性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。擴大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離提純產物獲得產品二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)生產微生物直接合成的產物生產微生物不能合成的產品如青霉素、谷氨酸等，則可從自然界中先分離出相應菌種，再用物理或化學的方法誘變育種，從突變個體中篩選出符合生產要求的優(yōu)良菌種。用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構建工程細胞或工程菌，從而達到生產相應產品目的。問題3:生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？怎樣才能得到優(yōu)良菌種？二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)

某鎮(zhèn)特產一種美酒，以下是對該鎮(zhèn)環(huán)境的描述：四面環(huán)山，地勢低洼，氣候炎熱，具有獨特的微生物種群，因為與外界的空氣對流循環(huán)較緩慢，所以微生物種群較穩(wěn)定。這對你理解發(fā)酵工程中菌種選育的重要性有什么啟示？問題4:生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？怎樣才能得到優(yōu)良菌種？①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖②生產所需代謝物的產量高③發(fā)酵條件容易控制④菌種不易變異、退化等選育菌種擴大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離提純產物獲得產品二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。檸檬酸啤酒味精青霉素黑曲霉啤酒酵母黃青霉谷氨酸棒狀桿菌選育菌種擴大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離提純產物獲得產品二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)問題4:擴大培養(yǎng)目的是什么？怎樣對菌種進行擴大培養(yǎng)？（1）將培養(yǎng)到生長速度最快時期的菌體分開，再進行培養(yǎng)。問題5:擴大培養(yǎng)所用的培養(yǎng)基，從性質上分類，是什么類型的培養(yǎng)基？發(fā)酵工程一般使用液體培養(yǎng)基（2）增加菌種數(shù)量，縮短生產周期選育菌種擴大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離提純產物獲得產品二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)（1）在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。（2）生產實踐中，培養(yǎng)基配方要經過反復實驗才能確定（即不斷優(yōu)化培養(yǎng)基）問題6:配制培養(yǎng)基需要考慮哪些因素？選育菌種擴大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離提純產物獲得產品二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)問題7:為什么要滅菌？②②①發(fā)酵工程所用的菌種大多數(shù)是單一菌種。②滅菌的原因分析：雜菌與菌種之間形成的種間競爭關系使產量下降或雜菌產生的代謝物抑制菌種的生長使產量下降。④實例：在青霉素生產過程中如果污染了雜菌，雜菌分泌青霉素酶就會將青霉素分解掉。③滅菌的目的：防止雜菌污染而影響產品的質量和品質。選育菌種擴大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離提純產物獲得產品二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)將____________的菌種投放到________中發(fā)酵罐擴大培養(yǎng)后選育菌種擴大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離提純產物獲得產品二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)實例：谷氨酸的發(fā)酵生產：在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。監(jiān)控要點一監(jiān)控要點二監(jiān)控要點三檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產物濃度等及時添加必需的營養(yǎng)物質組分來延長菌體生長穩(wěn)定期的時間，以得到更多的發(fā)酵產物嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發(fā)酵條件培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器及控制裝置冷卻水進入口閥門空氣入口放料管生物傳感器裝置攪拌葉輪發(fā)酵液冷卻夾層冷卻水排出口pH計排氣管電動機發(fā)酵罐示意圖：抽取樣本進行檢測調節(jié)罐溫調節(jié)罐壓控制溶解氧含量不斷攪拌的目的：①使菌種與發(fā)酵液混合均勻，提高原料利用率；②加快O2的溶解以及散熱。二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)選育菌種擴大培養(yǎng)滅菌配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離提純產物獲得產品二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)②②發(fā)酵產物類型獲得產品的方法微生物細胞代謝物過濾、沉淀等方法適當?shù)奶崛?、分離和純化措施分離、提純產物的方法措施：二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)問題8:在產物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比有哪些改進之處？傳統(tǒng)發(fā)酵技術獲得的產物一般不是單一的組分，而是成分復雜的混合物，很多時候不會再對產物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離提純產物。發(fā)酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附或離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。發(fā)酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。二、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)問題9:在進行發(fā)酵生產時，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？不能因為在進行發(fā)酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質。為了減少或避免污染物的產生和排放，實現(xiàn)清潔生產，應該對排出的氣體和廢氣培養(yǎng)液進行二次清潔或滅菌處理。②發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析選育菌種擴大培養(yǎng)配置培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離、提純產物獲得產品①從自然界中篩選的常規(guī)菌種①配置原則：目的明確、營養(yǎng)協(xié)調、pH適宜①目的：防止雜菌污染①檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產物濃度等地位：中心環(huán)節(jié)②通過誘變育種或基因工程育種獲得②營養(yǎng)構成：水、無機鹽、碳源、氮源等②對象：培養(yǎng)基和發(fā)酵罐②及時添加必需的營養(yǎng)物質組分來延長菌體生長穩(wěn)定期的時間，以得到更多的發(fā)酵產物②代謝物：適當?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施③嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發(fā)酵條件③注意：培養(yǎng)基使用前要經過反復試驗才能用于大規(guī)模生產條件：環(huán)境條件穩(wěn)定、溫和，利于菌種生長繁殖目的：增加菌種數(shù)量所用培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基或固體培基①菌體本身：過濾、沉淀監(jiān)控途徑課堂小結實戰(zhàn)訓練

1.發(fā)酵工程的正確操作過程是()①發(fā)酵②培養(yǎng)基的配制③滅菌④產品的分離與提純⑤菌種的選育⑥接種⑦擴大培養(yǎng)A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③①實戰(zhàn)訓練

2.下列關于微生物發(fā)酵過程的說法，正確的是（

）A.菌種選育是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)B.只要不斷地向發(fā)酵罐中通入液體培養(yǎng)基，就能保證發(fā)酵的正常進行C.在發(fā)酵過程中，要嚴格控制溫度、pH、溶氧、通氣量與轉速等發(fā)酵

條件，否則會影響菌種代謝產物的形成D.在發(fā)酵工程的發(fā)酵環(huán)節(jié)中，發(fā)酵條件會影響微生物的生長繁殖，但

是不影響微生物的代謝途徑實戰(zhàn)訓練

3．中國科學家運用合成生物學方法構建了一株嗜鹽單胞菌H，其以糖蜜（甘蔗榨糖后的廢棄液，含較多蔗糖）為原料，在實驗室通過發(fā)酵生產出PHA等新型高附加值可降解材料，從而提高了甘蔗的整體利用價值。具體的工藝流程如下圖示。下列說法錯誤的是（

）A．為了篩選出耐高濃度蔗糖的菌株H，可在液體培養(yǎng)基中將蔗糖作為唯一碳源，并不斷提高其濃度B．為統(tǒng)計培養(yǎng)液中H菌的數(shù)目，可在培養(yǎng)過程中定期取樣借助血球計數(shù)板進行計數(shù)C．發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是分離、提純產物D．若在適宜營養(yǎng)物濃度、溫度和pH條件下發(fā)酵，菌株H細胞增殖和PHA產量均未達到預期且產生了少量的乙醇，可以通過增加攪拌棒的轉速等方式改善實戰(zhàn)訓練

4．紹興黃酒馳名中外，釀造時通常以谷物為原料，利用現(xiàn)代發(fā)酵工程技術經高溫蒸煮后添加酒曲糖化發(fā)酵而成。下列敘述不正確的是（）A．酒曲中的菌種可從自然界篩選出來，應含有酵母菌以及能產生淀粉酶的菌種等B．發(fā)酵罐內發(fā)酵是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)，需檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產物濃度等C．高溫蒸煮可產生風味組分，加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活，并對糖漿滅菌D．可根據(jù)產物的性質采取適當?shù)奶崛?、分離和純化措施來獲得產品實戰(zhàn)訓練

5．關于傳統(tǒng)發(fā)酵和發(fā)酵工程應用的說法，錯誤的是（

）A．制作果醋時的溫度比制作果酒時的溫度高B．制作腐乳和面包利用的主要微生物的細胞結構相似C．發(fā)酵過程中，發(fā)酵罐內發(fā)酵是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)D．發(fā)酵工程生產條件溫和，原料來源豐富，但廢棄物對環(huán)境污染大，不易處理實戰(zhàn)訓練

6．隨著人們對發(fā)酵原理的認識，微生物純培養(yǎng)技術的建立，以及密閉式發(fā)酵罐的成功設計，發(fā)酵工程逐步形成。下列有關敘述正確的是（

）A．發(fā)酵工程的產品可以是微生物細胞本身B．發(fā)酵工程中的發(fā)酵條件不影響微生物的代謝途徑C．發(fā)酵工程多為混合菌種發(fā)酵D．發(fā)酵工程和傳統(tǒng)發(fā)酵技術的唯一區(qū)別是所用微生物的種類不同實戰(zhàn)訓練

7．在利用傳統(tǒng)發(fā)酵技術制作發(fā)酵食品的過程中，控制發(fā)酵條件至關重要。下列相關敘述正確的是（

）①傳統(tǒng)發(fā)酵以混合菌種的固體發(fā)酵及半固體發(fā)酵為主②制作果酒的葡萄汁不宜超過發(fā)酵瓶體積的2/3③制作泡菜的鹽水要淹沒全部菜料④向泡菜壇蓋邊沿的水槽中注滿水，以形成內部無菌環(huán)境⑤制作醋時經常翻動發(fā)酵物的主要目的是控制發(fā)酵溫度A．①②③ B．②③④ C．②③⑤ D．①②③④⑤實戰(zhàn)訓練

8．藍莓酒被稱為“液體黃金”“口服化妝品”等。藍莓酒工業(yè)化生產的大致流程如下：藍莓→破碎→酶解→榨汁過濾→滅菌→主發(fā)酵→后發(fā)酵→分離提純。下列敘述中錯誤的是（）A．藍莓：花青素等成分存在于液泡中B．滅菌：殺滅雜菌為后續(xù)接種作準備C．主發(fā)酵：要隨時檢測微生物含量D．后發(fā)酵：生成酒精主要在此過程發(fā)生實戰(zhàn)訓練

9．如圖為醬油的制作流程，其中米曲霉發(fā)酵過程的主要目的是使米曲霉充分生長繁殖，大量分泌制作醬油所需的蛋白酶、脂肪酶等，該過程需要提供營養(yǎng)物質、通入空氣。下列說法錯誤的是（

）A．發(fā)酵罐發(fā)酵類型為有氧發(fā)酵，而發(fā)酵池發(fā)酵為無氧發(fā)酵B．發(fā)酵池發(fā)酵過程中添加的食鹽可以抑制雜菌的生長繁殖C．發(fā)酵罐發(fā)酵需要將罐內的pH控制在中性或弱堿性條件下D．發(fā)酵罐發(fā)酵與啤酒生產中的糖化都存在大分子降解的過程實戰(zhàn)訓練

10．青霉素別名為盤尼西林，它是最早發(fā)現(xiàn)、最先提純、臨床上應用最廣的一種抗生素，發(fā)酵工程中常利用產黃青霉來生產青霉素。下列相關敘述正確的是（）A．選育菌種時，可以借助誘變育種、雜交育種等技術獲取高產青霉素的產黃青霉菌株B．由于青霉素對細菌具有廣泛的抑制作用，所以對生產青霉素的發(fā)酵設備進行消毒處理即可C．由于產黃青霉生長最適溫度和生產青霉素的適宜溫度不同，所以發(fā)酵時不同階段要控制不同溫度D．發(fā)酵結束后，可根據(jù)青霉素的化學性質采用過濾、沉淀等方法從發(fā)酵液中提取青霉素實戰(zhàn)訓練

11．獲得純凈的微生物培養(yǎng)物，防止雜菌污染是發(fā)酵工程的重要基礎。下列敘述錯誤的是（）①發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是分離、提純產物②單細胞蛋白是從微生物細胞中提取出來的③發(fā)酵工程的廢棄物對環(huán)境污染小并且容易處理④微生物的純培養(yǎng)物就是不含有代謝廢物的微生物培養(yǎng)物⑤微生物的純培養(yǎng)包括配制培養(yǎng)基、滅菌、接種、分離和培養(yǎng)等步驟A．①②③ B．②③⑤ C．①②④ D．①④⑤實戰(zhàn)訓練

12．紹興是黃酒之鄉(xiāng)，“麥曲酶長，酵米復芳；白梅酒娘，伴淋寒香；壓濾瓊漿，煎煮陳藏”是對紹興黃酒精致復雜釀造工藝的描述。在黃酒的主發(fā)酵過程中，“開耙”（攪拌）是極為關鍵的一步。下列相關敘述錯誤的是（

）A．接種麥曲有利于淀粉的糖化，有利于“酒娘”菌種發(fā)酵B．煎煮的目的是除去發(fā)酵產品中的雜菌，利于酵母菌繁殖C．陳藏需要在低溫、密閉環(huán)境中進行，形成更芳香的酒D．發(fā)酵過程中“開耙”可適當提供O2，調節(jié)pH，活化酵母實戰(zhàn)訓練

13．下列有關傳統(tǒng)發(fā)酵技術和發(fā)酵工程的敘述，錯誤的是（）A．傳統(tǒng)發(fā)酵技術通常未嚴格滅菌，發(fā)酵工程則需嚴格滅菌B．傳統(tǒng)發(fā)酵技術常用混合菌種，發(fā)酵工程菌種則較為單一C．傳統(tǒng)發(fā)酵技術多為厭氧發(fā)酵，發(fā)酵工程則多為需氧發(fā)酵D．傳統(tǒng)發(fā)酵技術的培養(yǎng)基為天然取材，發(fā)酵工程常根據(jù)需要添加化學試劑實戰(zhàn)訓練

14．與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比，發(fā)酵工程的產品種類更加豐富，產量和質量明顯提高。下列相關表述正確的是（

）A．發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是菌種的選育和擴大培養(yǎng)B．通過發(fā)酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白C．發(fā)酵罐中微生物的生長繁殖、代謝產物的形成速度都與攪拌速率有關D．發(fā)酵過程中，條件變化會影響微生物的生長繁殖，但不會影響微生物的代謝途徑實戰(zhàn)訓練

15．甘蔗榨糖后的廢棄液——糖蜜中含有較多蔗糖，為了提高甘蔗的整體利用價值，中國科學家運用生物學方法構建了一株嗜鹽單胞菌，以糖蜜為原料，通過發(fā)酵工程生產PHA等新型高附加值可降解材料。嗜鹽單胞菌產生的PHA在營養(yǎng)物質豐富時會貯存在細胞中，營養(yǎng)物質不足則被分解以維持細胞代謝。以下說法正確的是（

）A．菌種的選育是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)B．選育好的菌種需要經擴大培養(yǎng)后再接種至發(fā)酵罐中C．發(fā)酵過程糖蜜濃度越高越有利于嗜鹽單胞菌的生長繁殖D．直接將培養(yǎng)液過濾即可以從濾液中獲得PHA實戰(zhàn)訓練

16．下列有關發(fā)酵工程應用的說法，正確的是（

）A．發(fā)酵工程和傳統(tǒng)發(fā)酵技術最大的區(qū)別是前者可以用微生物進行發(fā)酵B．檸檬酸、乳酸等食品添加劑可以通過發(fā)酵工程生產C．分離、提純獲得微生物細胞本身或其代謝產物是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)D．通過發(fā)酵工程可從微生物細胞中提取單細胞蛋白可作為食品添加劑，也可