高中生物第3節(jié) 發(fā)酵工程及其應(yīng)用一等獎(jiǎng)作業(yè)ppt課件

這是一份高中生物第3節(jié) 發(fā)酵工程及其應(yīng)用一等獎(jiǎng)作業(yè)ppt課件，文件包含13發(fā)酵工程及其應(yīng)用課件新人教版2019選擇性必修3-高二生物pptx、啤酒工業(yè)化生產(chǎn)流程mp4等2份課件配套教學(xué)資源，其中PPT共27頁(yè)， 歡迎下載使用。
說(shuō)出發(fā)酵工程的概念（生命觀念）
闡明發(fā)酵工程的流程（生命觀念、科學(xué)思維）
舉例說(shuō)明發(fā)酵工程的應(yīng)用（科學(xué)思維）
關(guān)注發(fā)酵工程在食品、醫(yī)藥、農(nóng)牧業(yè)的應(yīng)用，倡導(dǎo)健康、安全的生產(chǎn)和生活（社會(huì)責(zé)任）
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，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(wàn)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？
工業(yè)上，青霉素的產(chǎn)生按照發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)進(jìn)行：首先進(jìn)行青霉素生產(chǎn)菌高產(chǎn)菌種的選育；然后將高產(chǎn)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)增加菌種數(shù)量，同時(shí)配制適合青霉素生產(chǎn)菌生長(zhǎng)的培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌；在無(wú)菌條件下將大量?jī)?yōu)良高產(chǎn)菌種接種到培養(yǎng)液中，控制溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進(jìn)行發(fā)酵；發(fā)酵結(jié)束后進(jìn)行青霉素的分離、提純，就可以得到大量青霉素。
一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)
發(fā)酵工程是指采用 ，利用 的某些功能，為人類生產(chǎn) ，或直接把微生物應(yīng)用于 過(guò)程的一種新技術(shù)。發(fā)酵工程一般包括： ， ， 、 、 ， ，產(chǎn)品的 等方面。
（1）常用菌種：主要是細(xì)菌、放線菌、酵母菌和霉菌等。
（2）菌種特點(diǎn)：①對(duì)周圍環(huán)境的溫度、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力。②有極強(qiáng)的消化能力。③有極強(qiáng)的繁殖能力。
（3）菌種的來(lái)源：①?gòu)淖匀唤缰泻Y選出優(yōu)良菌種。②利用誘變育種篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。③利用基因工程、細(xì)胞工程的方法對(duì)菌種的遺傳特性進(jìn)行定向改造，構(gòu)建出能生產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的菌種。
工業(yè)發(fā)酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大，在進(jìn)行接種前，要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。
（1）目的：增加菌種的數(shù)量，縮短生產(chǎn)周期。
（2）方法：將培養(yǎng)到生長(zhǎng)速度最快時(shí)期的菌體分開(kāi)，再進(jìn)行培養(yǎng)。
（1）類型：發(fā)酵工程一般使用液體培養(yǎng)基。
（2）要求： ①根據(jù)菌種的代謝類型，選擇不同的材料配制培養(yǎng)基。 ②培養(yǎng)基應(yīng)滿足微生物在碳源、氮源、生長(zhǎng)因子、水、無(wú)機(jī)鹽等方面的營(yíng)養(yǎng)要求，并為微生物提供適宜的pH，以利于產(chǎn)物的合成。 ③應(yīng)盡量降低生產(chǎn)成本，以得到更高的經(jīng)濟(jì)效益。
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。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌，接種過(guò)程中要注意防止雜菌污染。
發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)
溫度、pH、溶解氧、灌壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等
及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分
通過(guò)發(fā)酵罐對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行控制
（1）溫度：通過(guò)發(fā)酵罐上的溫度傳感器和控制裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整。（2）溶解氧：通過(guò)通氣量和攪拌速度加以調(diào)節(jié)。（3）pH：通過(guò)加料裝置添加酸或堿進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以在培養(yǎng)基中添加pH緩沖液。
分離、提純產(chǎn)物，獲得發(fā)酵產(chǎn)品
性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來(lái)，也可以通過(guò)誘變育種或基因工程育種獲得。生產(chǎn)檸檬酸就需要篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉。在啤酒生產(chǎn)中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速發(fā)酵過(guò)程，縮短生產(chǎn)周期
工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發(fā)酵之前還需要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)
發(fā)酵工程中所用的菌種大多數(shù)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(guò)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(guò)嚴(yán)格的滅菌。
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(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定。
這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過(guò)程中，要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產(chǎn)物的濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分，要嚴(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-乙酰谷酰胺。
現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的大型發(fā)酵罐均有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；還可以進(jìn)行反饋控制，使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。
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(guò)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(lái)獲得產(chǎn)品。
控制培養(yǎng)物以一定速度進(jìn)入、流出發(fā)酵罐，實(shí)現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)
通過(guò)肉眼觀察、儀器檢測(cè)等監(jiān)控發(fā)酵條件以及發(fā)酵過(guò)程，B2處抽取樣品進(jìn)一步檢測(cè)。
通過(guò)控制冷水流速調(diào)節(jié)罐溫
電機(jī)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱。
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？
若生產(chǎn)的是微生物直接合成的產(chǎn)物，則可以從自然界中先分離出相應(yīng)菌種，再用物理或化學(xué)方法誘變育種，從突變個(gè)體中篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。若生產(chǎn)的是微生物不能合成的產(chǎn)品，則可用基因工程、細(xì)胞工程的方法對(duì)菌種的遺傳特性進(jìn)行定向改造，以構(gòu)建工程菌，從而達(dá)到生產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的目的，同時(shí)還應(yīng)注意溫度、pH、溶解氧等對(duì)菌種的影響。
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？
發(fā)酵條件直接會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)和發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量，發(fā)酵條件包括：溫度、pH、溶解氧、通氣量等。①溫度條件的調(diào)控可通過(guò)向冷卻夾層通入冷水來(lái)調(diào)控；②pH條件的調(diào)控可在培養(yǎng)基中加入緩沖液，在發(fā)酵過(guò)程中加酸或堿；③溶解氧的調(diào)控需根據(jù)微生物的代謝類型，若微生物是需氧型的，可通過(guò)空氣入口通入空氣，并調(diào)整攪拌葉輪轉(zhuǎn)速增加溶解氧。若微生物是厭氧型的，需封閉空氣入口，建立厭氧環(huán)境等。
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)的發(fā)酵產(chǎn)物不是單一的組分，而是成分復(fù)雜的混合物，基本沒(méi)有經(jīng)過(guò)產(chǎn)物分離和提純等步驟。發(fā)酵工程的發(fā)酵產(chǎn)物根據(jù)產(chǎn)物的種類采取不同的分離、提純方法，若發(fā)酵產(chǎn)物是微生物細(xì)胞本身，則采用過(guò)濾、沉淀等方法將菌體分離、提純；若發(fā)酵產(chǎn)物是代謝物，則根據(jù)代謝物性質(zhì)采用蒸餾、萃取、離子交換等方法分離、提純。
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；發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，排出的氣體可能含有有毒氣體，廢棄培養(yǎng)液可能含有有毒物質(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。
（2）原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉；
（4）廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小和容易處理。
②生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑，如食品酸度調(diào)節(jié)劑——檸檬酸，增味劑——谷氨酸鈉等。
①生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如醬油、各種酒類等
③生產(chǎn)酶制劑，如淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶等。
①明顯提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量；②增加食品的營(yíng)養(yǎng)，改善食品的口感、色澤和品質(zhì)，有時(shí)還可以延長(zhǎng)食品的保存期；③改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程等。
啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)的五點(diǎn)提醒
（1）啤酒酵母菌：通過(guò)微生物培養(yǎng)技術(shù)篩選出的優(yōu)良菌種，在接種前進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，縮短生產(chǎn)周期。（2）焙烤溫度不能過(guò)高，防止淀粉酶失活。（3）蒸煮后的糖漿一定要冷卻后才能接種，防止高溫殺死酵母菌。（4）發(fā)酵過(guò)程中注意控制好溫度、pH、通氣、發(fā)酵時(shí)間等。（5）接種前要對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行滅菌，接種時(shí)要進(jìn)行無(wú)菌操作，防止雜菌污染。
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(guò)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(guò)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(wèn)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？
發(fā)芽產(chǎn)生淀粉酶，使淀粉分解為葡萄糖，保證了充足的發(fā)酵底物；焙烤降低了水分，加熱殺死了胚，減少胚發(fā)育時(shí)有機(jī)物的消耗，也保證了足夠多有機(jī)物用于發(fā)酵；碾磨時(shí)將麥芽磨成麥芽粉，可以在糖化時(shí)使淀粉酶充分與底物一淀粉接觸，產(chǎn)生更多葡萄糖。以上手段均保證了啤酒產(chǎn)量的提高。蒸煮手段和消毒手段均在一定程度上殺死了微生物，防止污染啤酒，保證了啤酒質(zhì)量的提高。且接種單一菌種保證了質(zhì)量和產(chǎn)量的提高。
精釀”啤酒不添加食品添加劑，純麥芽釀造，從這個(gè)角度看，“精釀”啤酒飲用起來(lái)更健康。但它不進(jìn)行過(guò)濾和消毒，一旦被雜菌污染，也會(huì)危害人體健康。“精釀”啤酒由于只是使用麥芽、啤酒花、酵母菌和水進(jìn)行釀造，發(fā)酵時(shí)間較長(zhǎng)，使得它的麥芽汁濃度更高，口味更加濃郁，雖然產(chǎn)量低、價(jià)格高，但卻有市場(chǎng)需求；而大規(guī)模生產(chǎn)的“工業(yè)”酒，為了節(jié)約生產(chǎn)成本，除了上述原料外，還添加了大量的大米、玉米和淀粉作為替代品，發(fā)酵時(shí)間也只有7天左右，使得它的麥芽汁濃度較低，口味清淡，但其生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高、價(jià)格低，有著更大的市場(chǎng)需求，根據(jù)消費(fèi)者的不同需求，大規(guī)模生產(chǎn)和小規(guī)模制作都有其存在的必要性。
②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
①通過(guò)發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品
③將病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物作為疫苗
①使得藥物大量生產(chǎn)和使用；②降低藥物的價(jià)格
④可能用微生物來(lái)生產(chǎn)過(guò)去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物
（5）在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)
（6）在其它方面的應(yīng)用
②對(duì)極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環(huán)境）的利用
①解決資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題
發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在助力解決　 和　　 等方面的重大問(wèn)題上，作出了越來(lái)越大的貢獻(xiàn)。
1.用于發(fā)酵工程的菌種應(yīng)該具備優(yōu)良性狀，并且只能從自然界中篩選（ ）
2.在進(jìn)行發(fā)酵前，需要對(duì)選育的菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)（ ）
3.發(fā)酵工程所用的菌種大多是單一菌種，所以沒(méi)有必要進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌（ ）