人教版高中生物学选择性必修3生物技术与工程精品课件 第1章 发酵工程 第3节 发酵工程及其应用

5.请用箭头和文字归纳概述现代发酵工程的基本环节。 提示
方法突破
发酵工程的基本环节
基本环节
主要方法及目的
选育菌种 从自然界中筛选、诱变育种或基因工程育种
扩大培养 配制培养基 灭菌 接种
快速增加菌种数量 结合菌种的代谢特点配制培养基 避免因杂菌污染而影响产品品质和产量 将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中
方法突破 1.发酵工程生产的相关产品及所用的微生物
2.啤酒的工业化生产流程
视角应用
视角1啤酒的工业化生产 1.传统啤酒酿造过程中,发酵在敞开式发酵池中进行,麦芽汁中接入酿酒酵 母后通入大量无菌空气,之后会产生大量气体翻腾逸出,在麦芽汁表面形成 25~30 cm厚的泡盖(气泡层),然 后停止通气,进入静止发酵阶段,一段时间后即可得到啤酒。下列说法正确 的是( C ) A.静止发酵阶段酵母菌可直接将淀粉转化为酒精和CO2 B.用脱落酸溶液浸泡大麦种子可以增加麦芽汁中可发酵糖的含量 C.泡盖的形成是由于酵母菌有氧呼吸产生大量CO2,能将麦芽汁与空气隔 绝
(3)应用实例:生长激素释放抑制激素最初从羊脑中提取,但远远不能满足 需要,后来利用经过基因改造的微生物进行发酵生产,产量大幅提升,价格 降为原来的几百分之一。将乙型肝炎病毒的 抗原 基因转入酵母菌,再 通过发酵生产乙型肝炎疫苗。
3.在农牧业上的应用 (1)生产微生物肥料 ①作用:利用微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增 进 土壤肥力 ,改良土壤结构,促进植株生长。有的微生物肥料还可以抑制 土壤中病原微生物的生长,从而减少病害的发生。 ②类型:常见的有根瘤菌肥和 固氮 菌肥等。
4.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?
提示 传统发酵技术获得的产物一般不是单一组分,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。在发酵工程中,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,可采用蒸馏、萃取等方法进 行提取。
发酵罐 物 代谢物的形成
。
,而且会影响微生
内发酵
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
计算机控制条件
环节
分离、提 纯产物
获得 产品
目的 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
D.现代发酵工程选育出性状优良的菌种后,即可进行发酵罐内发酵
解析 酵母菌一般不能直接将淀粉转化为酒精,酿酒的原理是酵母菌可以将 葡萄糖转化为酒精和CO2,A项错误;脱落酸能抑制细胞分裂,抑制植物的生 长,也能抑制种子萌发,故用脱落酸溶液浸泡大麦种子不能促进α-淀粉酶的 合成,而用赤霉素溶液浸泡大麦种子可以有效促进α-淀粉酶合成,增加麦芽 汁中可发酵糖的含量,B项错误;泡盖是向发酵池中通入无菌空气后,酵母菌 有氧呼吸产生大量的CO2,形成的25~30 cm厚气泡层,能将麦芽汁与空气隔 绝,C项正确;现代发酵工程选育出性状优良的菌种后,为满足发酵过程的需 要,还要对菌种进行扩大培养,才能进行发酵罐内发酵,D项错误。
(3)生产酶制剂:常用酶制剂有α-淀粉酶、β- 淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和 脂肪酶等。目前,已有50多种酶制剂成功用于食品的直接生产、改进生产 工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高 产品产量等方面。
2.在医药工业上的应用 (1)发酵工程可以生产 抗生素 、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。 (2)基因工程、 蛋白质 工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注 入了强劲动力。
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要? 提示 要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制,使其最适合微生 物的生长繁殖,还要及时添加必需的营养成分。 3.为什么发酵工程的生产条件比较温和? 提示 发酵是利用微生物的代谢将原料进行转化,而微生物代谢是在常温常 压下进行的,因此发酵工程的生产条件比较温和。
解析 发酵工程的基本操作过程包括选育菌种,扩大培养,配制培养基,灭菌, 接种,发酵罐内发酵,分离、提纯产物,A项正确;发酵罐内发酵是发酵工程 的中心环节,B项错误;基因工程育种、诱变育种均能获得性状优良的菌 种,C项正确;产品不同,分离、提纯的方法一般不同,如果产品是微生物细 胞本身,可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥,即可获得产品,D项正 确。
学习目标
1.归纳发酵工程的基本环节,了解发酵罐的构成,培养科学思维和工程思维。 2.联系生产、生活实际,了解发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业及 其他方面的应用,关注社会责任。
目录索引
基础落实·必备知识全过关 重难探究·能力素养全提升
基础落实·必备知识全过关
知识点一 发酵工程的基本环节
环节
(2)生产微生物农药 ①原理:微生物农药利用微生物或其 代谢物 来防治病虫害。 ②实例:苏云金杆菌可用来防治80多种农林虫害;利用白僵菌可以防治玉米 螟、松毛虫等虫害;一种放线菌产生的抗生素——井冈霉素可以用于防治 水稻纹枯病。 (3)生产微生物饲料 ①单细胞蛋白:以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料,通过 发酵获得了大量的 微生物菌体 。 ②在青贮饲料中添加 乳酸菌 ,可以提高饲料的品质,使饲料保鲜,动物食 用后还能提高免疫力。
2.[教材P27异想天开]什么是单细胞蛋白? 提示 单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料, 通过发酵获得的大量的微生物菌体。其不仅含有丰富的蛋白质,还含有糖 类、脂质和维生素等物质。
3.[教材P28拓展应用]青霉素发酵是高耗氧过程,如何能够保证在发酵过程 中给微生物持续高效地供氧呢?(血红蛋白具有携带O2的能力) 提示 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中来提高 菌体对氧的吸收和利用率。
分离和纯化措施来获得产品
视角应用
1.[2023云南昭通高二检测]下列关于发酵工程基本环节的叙述,错误的是 (B)
A.发酵工程的主要环节包括选育菌种、扩大培养、配制培养基、灭菌、 接种、发酵罐内发酵、分离和提纯产物 B.扩大培养是发酵工程的中心环节 C.性状优良的菌种可以通过基因工程育种或诱变育种获得 D.对于获得的产品菌种,可以采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥
结论语句 辨一辨 (1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌。( × ) (2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
(√ ) (3)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富,但废弃物对环境污染很大,不 易处理。( × ) (4)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体。( √ )
重难探究·能力素养全提升
主题一 发酵工程的基本环节
情境探究
随着人们对发酵原理的认识,微生物纯培养技术的建立,以及密闭发酵罐的 成功设计,发酵工程逐步形成。请根据教材P22~23图1-9“发酵工程的基本 环节和发酵罐示意图”,思考回答下列问题。 1.现代发酵工程和传统发酵技术所用的菌种从来源方面看有什么不同? 提示 传统发酵技术所用的菌种一般是原材料中天然存在的多种菌种,而现 代发酵工程用的菌种是通过微生物培养技术获得的单一菌种。
视角2发酵工程的其他应用实例 2.[2023浙江宁波效实中学高二期中]如图是谷氨酸的发酵装置,下列关于 该发酵罐结构与功能叙述错误的是( C ) A.3、6处分别是发酵罐夹层中水的进、出口,水在发酵 罐夹层流动的作用是冷却 B.谷氨酸发酵过程中,当培养液呈中性或弱碱性时,会积 累谷氨酸 C.发酵工程的中心环节是制备适合发酵菌种生长的培养基 D.1为观察孔,可观察微生物的生长状况和产品形成
4.在其他方面的应用 (1)利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。 (2)极端微生物的利用,如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂,_嗜__低__温__菌__ 有助于提高热敏性产品的产量。
旁栏边角 想一想 1.[教材P25思考·讨论]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? 提示 应该辩证地看待这一问题。一方面,“精酿”啤酒具有多样化的特点,能 够满足一些人对独特口感的需求;另一方面,“精酿”啤酒是手工作坊式生产 的,存在啤酒品质不稳定、价格昂贵等问题。
2.抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产?这与 微生物的生长和代谢特点有什么关系?
提示 某些微生物因争夺生存环境或营养物质,会产生抗生素将其他种类的 微生物杀死;微生物会通过合成或分解代谢生产它必需的物质,包括氨基酸、 核苷酸等;微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶,以便将营养物质水解 成可吸收的小分子的肽或氨基酸、葡萄糖。
目的
选育 菌种
扩大 培养
性状优良的菌种可以从 自然界 育种或 基因工程 育种获得
中筛选出来,也可以通过诱变
青霉素高产菌株的获取
工业发酵罐的体积大,接入的菌种总体积大。在发酵之前还需要对
菌种进行扩大培养
让菌体在短时期内快速增殖
环节
目的
配制培养基 在生产实践中,培养基的配方要经过反复试验才能确定
发酵工程中所用的菌种大多是 单一菌种
—
知识点二 发酵工程的应用 1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品:以大豆为主要原料,利用产生 蛋白酶 的霉菌生 产酱油;以谷物或水果等为原料,利用酿酒酵母发酵生产各种酒类。 (2)生产各种各样的食品添加剂:食品添加剂不仅可以增加食品的营养,改 善食品的口味、色泽和品质,有时还可以延长食品的保存期。柠檬酸可以 通过黑曲霉 的发酵制得;由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸,谷氨酸 经过一系列处理就能制成味精。
基本环节
主要方法及目的
①监测并控制温度、pH 、溶解氧等发酵条件,使发酵全过
程处于最佳状态Leabharlann 发酵罐内发酵②随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等,以了解发酵
进程,还要及时添加必需的营养成分等
①若发酵产品是微生物细胞本身,可采用过滤、沉淀等方法
分离、提 将菌体分离、干燥
纯产物
②若发酵产品是代谢物,可根据产物的性质采取适当的提取、
4.[教材P28拓展应用]目前我国多地广泛使用乙醇汽油,但有人认为,生产燃 料乙醇需要消耗大量粮食, 会增加粮食短缺的风险。请你评估这一风险, 并说明在生产时应如何规避这一风险。
提示 为了规避这一风险,应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食 生物材料(如秸秆等)来生产燃料乙醇。使用陈化粮食来生产燃料乙醇,还 能防止问题粮食流入市场。
主题二 发酵工程的应用
情境探究 发酵工程以其生产条件温和,原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃 物对环境的污染小等特点,在许多领域得到了广泛的应用。请阅读教材 P24~27“发酵工程的应用”部分,结合思考·讨论“啤酒的工业化生产流程”, 解决下列问题。 1.与传统的手工发酵相比,在啤酒的工厂化生产中,哪些工程手段会使啤酒 的产量和质量明显提高? 提示 菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制及产品的消毒等,都 有助于提高啤酒的产量和品质。
。一旦有杂
灭菌
菌污染,可能导致产量大大下降。因此, 培养基 和
发酵设备
都必须经过严格的灭菌
接种
接种目的菌种
环节
目的
发酵工程的 中心环节
。在发酵过程中,要随时检测培养液
中的微生物数量、产物浓度等,以了解 发酵进程
。还要及
时添加必需的营养成分,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
2.某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究,下列叙述错 误的是( B ) A.夏季生产果酒时,常需对罐体进行降温处理 B.乙醇为挥发性物质,故发酵过程中空气的进气量 不宜太大 C.正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压 D.可以通过检测发酵过程中残余糖的浓度来决定 何时终止发酵
解析 果酒发酵时,一般将温度控制在18~30 ℃,夏季温度高,且发酵过程中 有热量产生,因此夏季生产果酒时,常需对罐体进行降温处理,A项正确;果 酒发酵是无氧发酵,不能通入空气,B项错误;正常发酵过程中不消耗O2,会 产生CO2,故罐内的压力不会低于大气压,C项正确;酵母菌发酵过程中会消 耗大量糖类,故可以通过检测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发 酵,D项正确。