高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 发酵工程及其应用精品ppt课件

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说出发酵工程的概念（生命观念）
阐明发酵工程的流程（生命观念、科学思维）
举例说明发酵工程的应用（科学思维）
关注发酵工程在食品、医药、农牧业的应用，倡导健康、安全的生产和生活（社会责任）
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量，价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，一瓶规格160万单位青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
工业上，青霉素的产生按照发酵工程的基本环节进行：首先进行青霉素生产菌高产菌种的选育；然后将高产菌种进行扩大培养增加菌种数量，同时配制适合青霉素生产菌生长的培养基进行灭菌；在无菌条件下将大量优良高产菌种接种到培养液中，控制温度、pH、溶解氧等发酵条件进行发酵；发酵结束后进行青霉素的分离、提纯，就可以得到大量青霉素。
一、发酵工程的基本环节
发酵工程是指采用 ，利用 的某些功能，为人类生产 ，或直接把微生物应用于 过程的一种新技术。发酵工程一般包括： ， ， 、 、 ， ，产品的 等方面。
（1）常用菌种：主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌等。
（2）菌种特点：①对周围环境的温度、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。②有极强的消化能力。③有极强的繁殖能力。
（3）菌种的来源：①从自然界中筛选出优良菌种。②利用诱变育种筛选出符合生产要求的优良菌种。③利用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，构建出能生产相应产品的菌种。
工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，在进行接种前，要对菌种进行扩大培养。
（1）目的：增加菌种的数量，缩短生产周期。
（2）方法：将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
（1）类型：发酵工程一般使用液体培养基。
（2）要求： ①根据菌种的代谢类型，选择不同的材料配制培养基。 ②培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH，以利于产物的合成。 ③应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。
发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备必须经过严格的灭菌，接种过程中要注意防止杂菌污染。
发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等
及时添加必需的营养组分
通过发酵罐对发酵条件进行控制
（1）温度：通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整。（2）溶解氧：通过通气量和搅拌速度加以调节。（3）pH：通过加料装置添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液。
分离、提纯产物，获得发酵产品
性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期
工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
在菌种确定之后，要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试验才能确定。
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。例如，谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷酰胺。
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测。
通过控制冷水流速调节罐温
电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。
1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？
若生产的是微生物直接合成的产物，则可以从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程菌，从而达到生产相应产品的目的，同时还应注意温度、pH、溶解氧等对菌种的影响。
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
发酵条件直接会影响微生物的生长和发酵产品的质量，发酵条件包括：温度、pH、溶解氧、通气量等。①温度条件的调控可通过向冷却夹层通入冷水来调控；②pH条件的调控可在培养基中加入缓冲液，在发酵过程中加酸或碱；③溶解氧的调控需根据微生物的代谢类型，若微生物是需氧型的，可通过空气入口通入空气，并调整搅拌叶轮转速增加溶解氧。若微生物是厌氧型的，需封闭空气入口，建立厌氧环境等。
3.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？
传统发酵技术的发酵产物不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，基本没有经过产物分离和提纯等步骤。发酵工程的发酵产物根据产物的种类采取不同的分离、提纯方法，若发酵产物是微生物细胞本身，则采用过滤、沉淀等方法将菌体分离、提纯；若发酵产物是代谢物，则根据代谢物性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法分离、提纯。
4.在进行发酵生产时,排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗?为什么？
不能；发酵生产时，排出的气体可能含有有毒气体，废弃培养液可能含有有毒物质，这些都可能会污染环境，对人体健康造成危害。此外，废弃培养液中的微生物也可能会污染水体、感染人体。因此，排出的气体和废弃培养液等需经检测、处理后才能排到外界环境中。
（2）原料来源丰富且价格低廉；
（4）废弃物对环境的污染小和容易处理。
②生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。
①生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
③生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶等。
①明显提高产品的产量和质量；②增加食品的营养，改善食品的口感、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期；③改进生产工艺、简化生产过程等。
啤酒的工业化生产的五点提醒
（1）啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩大培养，缩短生产周期。（2）焙烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。（3）蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。（4）发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。（5）接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。
1.与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
2.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，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“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“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，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
发芽产生淀粉酶，使淀粉分解为葡萄糖，保证了充足的发酵底物；焙烤降低了水分，加热杀死了胚，减少胚发育时有机物的消耗，也保证了足够多有机物用于发酵；碾磨时将麦芽磨成麦芽粉，可以在糖化时使淀粉酶充分与底物一淀粉接触，产生更多葡萄糖。以上手段均保证了啤酒产量的提高。蒸煮手段和消毒手段均在一定程度上杀死了微生物，防止污染啤酒，保证了啤酒质量的提高。且接种单一菌种保证了质量和产量的提高。
精酿”啤酒不添加食品添加剂，纯麦芽酿造，从这个角度看，“精酿”啤酒饮用起来更健康。但它不进行过滤和消毒，一旦被杂菌污染，也会危害人体健康。“精酿”啤酒由于只是使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水进行酿造，发酵时间较长，使得它的麦芽汁浓度更高，口味更加浓郁，虽然产量低、价格高，但却有市场需求；而大规模生产的“工业”酒，为了节约生产成本，除了上述原料外，还添加了大量的大米、玉米和淀粉作为替代品，发酵时间也只有7天左右，使得它的麦芽汁浓度较低，口味清淡，但其生产成本低、产量高、价格低，有着更大的市场需求，根据消费者的不同需求，大规模生产和小规模制作都有其存在的必要性。
②将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物
①通过发酵技术大量生产所需要的产品
③将病原体的抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物作为疫苗
①使得药物大量生产和使用；②降低药物的价格
④可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物
（5）在农牧业上的应用及优点
（6）在其它方面的应用
②对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用
①解决资源短缺和环境污染问题
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决　 和　　 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。