高中生物第3节 发酵工程及其应用优秀ppt课件

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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。
在工业上，青霉素是怎样生产的？
严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 ——发酵工程
1.发酵工程的基本环节不包括( )A.生产菌种的选育B.发酵温度等条件的控制C.发酵罐的设计与生产D.产物的提取、分离与纯化
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。
2.(2022·辽宁省大连市·单元测试)关于发酵工程中所用性状优良菌种的来源，一般不包括（ ） A. 自然界中筛选B. 诱变育种 C. 基因工程育种D. 杂交育种
3．生物学家将大肠杆菌的质粒取出，连接上人生长激素的基因以后，重新置于大肠杆菌细胞内，然后用这种带有人生长激素基因的大肠杆菌进行发酵，该处理过程在发酵中属于(　　) A．菌种选育 B．扩大培养 C．接种 D．诱变育种
【旁栏思考】某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？
优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。
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__________才能确定。
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。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， ____________________都必须经过严格的灭菌。
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_____________________________________________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。 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__________，而且会影响微生物_______________________ 。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-乙酰谷氨酰胺。
通气量、搅拌、泡沫和营养
温度、pH、溶解氧、罐压、
4.发酵工程在现代生物工程中的地位越来越重要。下列有关发酵过程的叙述，错误的是(　　)A.密闭式发酵罐的设计成功使大规模生产发酵产品得以实现B.要随时取样，检测培养液的细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程C.在发酵过程中不需要向装置中再添加必需的营养组分D.要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件
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。
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。
图是发酵工程生产产品的流程简图。 (1)能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的，①是________；高产青霉素菌种是通过②培育的，②是________，③是细胞工程。
(2)④表示______，⑤表示_____。 (3)整个过程的中心阶段是发酵， 在此阶段需要随时取样、检测______________________等，以了解发酵进程，还要及时添加____________，同时严格控制_________________。
接种　 灭菌
微生物数目和产物浓度　
发酵条件(pH、通气量、转速)　
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
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。
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。
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。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
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。
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。
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。
5.(2022·辽宁大连)下列关于发酵工程基本环节的叙述，错误的是（ ） A. 发酵工程的主要环节包括选育菌种、扩大培养、灭菌和配制培养基、接种、发酵、分离提纯 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
6．下列关于发酵工程的说法，不正确的是(　　) A．在菌种选育过程中，可以采用人工诱变、基因工程等手段 B．虽然青霉素是抗生素，但在青霉素生产过程中仍然需要严格灭菌 C．在谷氨酸发酵过程中，pH呈酸性时产生乳酸或琥珀酸，pH呈碱性时产生谷氨酸 D．发酵工程的产品可以采用过滤、沉淀、蒸馏、萃取、离子交换等方法提取
7. 下列关于发酵工程的说法，正确的是（　　）A.菌种都是从自然界获得的天然菌种B.若目的菌种是优势种群，培养基就不需要灭菌C.发酵工程用的培养基是液体培养基D.培养基从一开始就按比例配好，中途不能更改
在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。
严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使其最适合微生物生长繁殖，及时添加必需的营养组分
传统发酵技术获得的产物一般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，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。
在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法，在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。最后都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
不能。微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废气培养液进行二次清洁或灭菌处理。
3. 右图是发酵工程常用的发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题。(1)在发酵过程中，电动机不停带动搅拌叶轮转动，这样做的目的是 。 (2)冷却水是为了带走微生物进行 产生的热量，以维持发酵液温度的稳定，若温度过高，会影响微生物 ，导致不能产生相应代谢产物，甚至死亡。
让微生物与营养物质充分接触，以保证微生物的营养供应
产物专一生产条件温和原料来源丰富且价格低廉废弃物对环境污染小且容易处理
在食品工业上的应用在医药工业上的应用在农牧业上的应用在其他方面的应用
7.下列关于发酵工程特点的描述，错误的是(　　)A.生产条件温和B.原料来源丰富且价格低廉C.产物多样化D.废弃物对环境污染小且易处理
1. 生产传统发酵产品
酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。
在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。
菌种选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。
一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊生产的，存在啤酒品质不稳定，价格昂贵的问题。
某酒厂以大米为主原料，利用席母南发牌生产活精度不低于12度的米酒，其主要工艺流程如下:试就生产过程回答下列问题。(1)糖化阶段主要包括蒸煮大米及加人“糖化酶"等，“糖化酶”应包括的主要酶类有 ，糖化酶使(大米中)淀粉发生的主要变化是____________。(2)发酵阶段主要在5 m3的发酵罐中进行，主要工艺为：加料(糖化后的米浆)→接种菌种(主要为酵母菌)→通气培养→密封发酵。①接种后通气培养的主要目的是 。在接种时常加入尿素或其他氮肥，其目的是 。②"密封”的目的是 。
淀粉→麦芽糖酶→葡萄糖
使酵母菌呼吸作用旺盛、能量充足而迅速繁殖
提供菌种生长所需要的氮元素
造成缺氧环境，让酵母菌进行发酵
某酒厂以大米为主原料，利用席母南发牌生产活精度不低于12度的米酒，其主要工艺流程如下:试就生产过程回答下列问题。(3)在酿酒业中,为了保持酒的风味不变，应让酵母菌进行 (填“无性生殖”或“有性生殖”)，这是利用了 ；为了研制新酒，应让酵母菌进行 (填“无性生殖”或“有性生殖”)，这是利用了 。
无性生殖能保持亲本性状的稳定性
有性生殖后代有较大的变异性
2. 生产各种各样的食品添加剂
利用黑曲霉发酵生产柠檬酸利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。
食品直接生产改进生产工艺简化生产过程提高产品产量延长食品储存期改善产品的品质 和口味
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。
(二)在医药工业上的应用
工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
1、采用基因工程的方法,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
2、直接对菌种进行改造,再通过发酵技术大量生产所需要的产品
3、未来可能用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等。
4、利用基因工程将病原体的抗原基因转入微生物细胞，制成生物疫苗。
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、增强植物抗病性和抗逆性。
利用微生物或其代谢物来防治病虫害。
以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体。
(三)在农牧业上的应用
8、下列关于单细胞蛋白的叙述,正确的是(　　)A.是从微生物细胞中提取的蛋白质B.通过发酵生产的微生物菌体C.是微生物细胞分泌的抗生素D.单细胞蛋白不能作为食品
解析:单细胞蛋白是利用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,所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素;单细胞蛋白含有丰富的蛋白质,如真菌蛋白可作为食品。
1.解决资源短缺和环境污染问题
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质
2.对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量
(四)在其他方面的应用
9.下列不需要利用发酵工程的是(　　)A.生产单细胞蛋白饲料B.通过生物技术培育可移植的皮肤C.利用微生物生产胰岛素D.工厂化生产青霉素
10.发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。下列关于发酵工程的认识错误的是(　　)A.发酵工程具有条件温和、产物单一、污染小的特点B.发酵工程的产品包括微生物的代谢产物和菌体本身C.通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧和pH等D.发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵
11.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。下列叙述正确的是(　　)A.为加快发酵速度，应使发酵液保持35 ℃的恒温B.给发酵罐适时排气，后期可缩短排气间隔时间C.可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵D.若定期对培养液中酵母菌进行计数，只能采用稀释涂布平板法
12.发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是(　　)A.黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种B.啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品C.用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题D.用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗
13.下列有关发酵工程应用的叙述，正确的是(　　)A.发酵完成后分离出的菌体均可作为动物饲料B.发酵工程不能用于传统发酵食品的生产C.利用基因工程选育的菌种可用于酶制剂、疫苗、激素等的生产D.将发酵液中的微生物分离出来就是微生物肥料，可大大增进土壤肥力
与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质粒明显提高。判断下列相关表述是否正确。 （1）发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。 （ ） （2）发酵工程的产品主要包括微生物的代谢、酶及菌体本身。 （ ） （3）在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。 （ ） （4）通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。 （ ）
二、拓展应用1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。(1)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？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力)
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来提高菌体对氧的吸收和利用率。
(2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？
可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。
2、通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。
存在风险。在生产燃料乙醇时，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)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。
1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。
（1）在培养基中加入化合物A的目的是__________________________，这种培养基属于_______________培养基。（2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量 的培养液，接入新的培养中续培养，使目的菌的数量_______________。
筛选出可降解化合物A的微生物
（3）若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落进行液体培养，再采用 方法进行计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。
（4）将目的菌用于环境保护实践时,还有哪些问题需要解决?
目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践
（5）有人提出,可以通过改造细菌的基因来获得能够降解化合物A的细菌,请分析这种方法是否可行。
可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。
2.某个高温日，某校三位高中学生相约去吃冰激凌，之后两人都出现腹泻现象，于是他们怀疑冰激凌中的大肠杆菌含量超标。老师建议他们利用学过的有关微生物培养的知识对此冰激凌进行检测。经过一番资料查阅,他们提出了如下实验设计思路。立即去卖冰激凌的小店再买一个同样品牌的同种冰激凌；配制伊红一亚甲蓝琼脂培养基（该培养基可用来鉴别大肠杆菌，生长在此培养基上的大肠杆菌菌落呈深紫色，并有金属光泽）、灭菌、倒平板；取10 mL刚融化的冰激凌作为原液，然后进行梯度稀释,稀释倍数为1× 10~1×10 ；取每个浓度的冰激凌液各0.1 mL，用涂布平板法进行接种，每个浓度涂3个平板，一共培养18个平板;在适宜温度下培养48h，统计菌落数目。
（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。 ①他们只打算对一个冰激凌进行检测，理由是：两个人吃过冰激凌后，都拉肚子了，所以再检测一个就足以说明问题。你同意这样的观点吗？为什么？
①不同意。 只检测一个冰激凌数据太少，不能排除偶然因素的影响。
（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。 ②有没有必要对冰激凌原液进行梯度稀释？为什么？【提示：我国卫生部门规定了饮用水标准， 1mL自来水中细菌总数不可以超过100个（37 ℃培养24 h）， 1 000 mL自来水中大肠杆菌菌落数不能超过3个（37℃培养48 h）】
②没有必要。 根据国家的标准，自来水中的大肠杆菌数目应该是非常少的。即使冰激凌中大肠杆菌数目超标了，也不可能很离谱，如果进行梯度稀释，最后培养出来的菌落数可能不在计数要求的范围内，从而导致结果误差大。解答这个问题的时候，应该让学生明白并不是所有的细菌检测培养都需要进行梯度稀释，而是要根据实际情况来确定培养方案。
（1）请你从下面几个角度对这三位同学的思路进行评议。 ③他们认为，在用该方法统计菌落数目时不需要设计对照组,所以只准备培养18个平板。你认为在这项检测中是否需要对照组？为什么？
③需要设置对照组。严格来说，应该设置两组对照组。一组为阴性对照组，不进行涂布或者用无菌水涂布平板；另一组为阳性对照组，涂布大肠杆菌。前者可以说明培养基是否被污染，后者可以说明该培养基能否培养出大肠杆菌。
（2）下图所示为4种菌落分布图，一般不能由涂布平板法得到的是_________。
（3）在完善实验设计思路后，三位同学进行了实验。培养结果显示，除了深紫色菌落，还有其他菌落存在，这说明了什么？如果以菌落数代表样品中的大肠杆菌数量，则统计结果比实际值是偏多还是偏少？为什么？
说明冰激凌中不仅有大肠杆菌，还有其他细菌或真菌等。统计结果比实际值偏少。 因为有些菌落可能会重叠，统计时容易将其误认为是一个茵落，并且这种计数方法统计的是活菌的数目。
（4）如果实验结果显示,检测的冰激凌中大肠杆菌含量超标了。接下来他们应该做什么?
应该马上去小店告知店主这批冰激凌不能再卖了；还要告知食品卫生管理部门，以对这批冰激凌的来源进行追踪调查。其他合理答案也可。