生物选择性必修3第1章 发酵工程第3节 发酵工程及其应用课文内容课件ppt

这是一份生物选择性必修3第1章 发酵工程第3节 发酵工程及其应用课文内容课件ppt，共46页。PPT课件主要包含了内容索引，课前篇自主预习，课堂篇探究学习，素养目标，发酵罐示意图，归纳提升等内容，欢迎下载使用。

一、发酵工程的基本环节1.发酵工程的定义通过现代工程技术,利用微生物的特定功能,生产人类所需的产品(微生物细胞本身或其代谢产物)的过程。发酵工程一般包括菌种的选育,扩大培养,培养基的配制、灭菌,接种,发酵,产品分离、提纯等方面。2.随着人们对发酵原理的认识,微生物纯培养技术的建立,以及密闭式发酵罐的设计成功,人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品,发酵工程逐步形成。
3.发酵工程的基本环节
4.啤酒的工业化生产流程
自我检测1.发酵工程一般包括菌种的选育,扩大培养,培养基的配制、灭菌,接种,发酵,产品分离、提纯等,判断下列有关发酵过程的表述是否正确。(1)发酵过程中所用的菌种大多是单一菌种。( √ )(2)扩大培养的主要目的是获得数量足够多的菌种。( √ )(3)环境条件不会影响微生物的生长繁殖,但会影响微生物代谢物的形成。( × )
2.(2021北京平谷五中高二月考)谷氨酸在发酵罐内的发酵是谷氨酸发酵生产工程的中心环节。下列有关发酵罐的监测装置作用及目的的叙述,错误的是(　　)A.检测培养液中的微生物数量、产物浓度、代谢产物类型等B.监控pH并及时添加碱性物质或氨水以提高产量C.监控溶解氧、温度、通气量和转速等条件,以免影响其代谢途径和产量D.此过程需要控制无氧和恒温条件以利于谷氨酸棒状杆菌和谷氨酸的生成
答案 D解析 发酵罐的监测装置,可以方便检测培养液中的微生物数量、产物浓度、代谢产物类型等,以了解发酵进程,A项正确;在谷氨酸发酵过程中,随着谷氨酸的不断生成,发酵液的pH不断地减小,抑制谷氨酸的产生,为了维持发酵的最佳条件,要监控pH并及时添加碱性物质或氨水以维持pH稳定,提高谷氨酸的产量,B项正确;谷氨酸发酵过程需要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量等,以免影响其代谢途径和产量,例如溶解氧不足,生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸,C项正确;谷氨酸棒状杆菌是一种异养兼性厌氧细菌,扩大培养应在有氧条件下进行,有利于谷氨酸棒状杆菌的生成,在无氧条件下,谷氨酸棒状杆菌能将葡萄糖和含氮物质(如尿素、硫酸铵、氨水)合成为谷氨酸,D项错误。
二 、发酵工程的应用1.发酵工程的特点
2.发酵工程的具体应用
自我检测1.发酵工程在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上,发挥着越来越大的作用,判断下列有关发酵工程应用的表述是否正确。(1)单细胞蛋白就是一个蛋白质分子。( × )(2)可以利用发酵工程和基因工程生产疫苗。( √ )(3)科学家可利用基因工程,将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞,获得的表达产物就可以作为疫苗使用。( √ )(4)在食品工业中,目前使用的50多种酶制剂,都是通过发酵工程生产的。( × )
2.下列有关发酵工程应用的叙述,错误的是(　　)A.发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品B.柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产C.发酵工程可以生产多种药物,但是不能生产疫苗D.发酵工程生产的单细胞蛋白可以制作成微生物饲料答案 C解析 发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品,A项正确;柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产,B项正确;乙肝疫苗可用发酵工程的方法生产,将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌,再通过发酵生产,C项错误;现代的发酵技术利用发酵工程生产的单细胞蛋白可以制作成微生物饲料,D项正确。
[流程分析]请根据发酵工程的基本环节和发酵罐的结构,思考回答下列问题。
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?提示 选择发酵工程中用的菌种,在考虑生产需要(如微生物体内酶的催化能力、微生物的繁殖速度等)的同时,还要结合当地的气候和发酵设备等实际情况。
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 (1)反复试验确定培养基的配方。(2)对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。(3)用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。(4)控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。可用温度传感器、冷却水进入口和排出口控制温度,空气入口控制氧气的量等。
3.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?提示 不能。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备,达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为发酵过程中产生的某些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。
[归纳提升]1.发酵工程的基本环节分析
2.发酵过程的影响因素及相应的调节和控制方法(1)温度微生物分解有机物释放的能量,一部分用于合成ATP,另一部分散发到培养基中时,会引起发酵过程温度升高;机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。调节和控制培养液温度的方法:用冷却水进行温度的调节。
(2)pHpH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时,培养液的pH就会下降;而碱性物质的生成则会导致培养液的pH上升。调节和控制培养液pH的方法:在培养基中添加缓冲液,在发酵过程中加酸或加碱。(3)溶解氧对于好氧型微生物,发酵过程要保证充足的溶解氧;对于厌氧型微生物,要保证严格的无氧环境。调节和控制溶解氧的方法:利用发酵罐的通气口控制氧气的量。
3.啤酒的工业化流程
[探究应用]1.(2021山东枣庄八中高二月考)下图1为谷氨酸发酵装置示意图,图2为谷氨酸产生机理图。据图分析,下列对谷氨酸发酵的叙述正确的是(　　)
A.菌体是异养厌氧型微生物B.在酸性条件下更易积累谷氨酸C.谷氨酸的形成与搅拌速度无关D.提高产物产量的关键是改变菌体膜的通透性答案 D解析 分析图1装置可知,4为充气口,证明发酵过程需不断通入无菌空气,因此谷氨酸发酵的菌体为异养需氧型微生物,A项错误;谷氨酸发酵生产过程中,在中性和弱碱性条件下更易积累谷氨酸,B项错误;谷氨酸发酵的菌体为需氧型,搅拌可以增加溶解氧的量,故谷氨酸的形成与搅拌速度有关,C项错误;分析图2可知,当谷氨酸过量时,会抑制谷氨酸脱氢酶的活性,导致谷氨酸的合成量减少,若细胞膜的通透性好,有利于代谢产物及时排出,避免了谷氨酸对谷氨酸脱氢酶活性的抑制,从而提高产物产量,D项正确。
2.(多选)下列关于发酵过程的说法,正确的是(　　)A.培养基灭菌是发酵生产中的一个很重要的环节B.随时监测影响发酵过程的各种环境条件,并予以控制,才能保证发酵的正常进行C.在发酵过程中,要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件,否则会影响菌种代谢物的形成D.发酵产品的分离方法是共同的答案 ABC解析 不同的发酵产品,其分离方法不同。有的需要过滤、沉淀,有的则需要进行蒸馏、萃取或离子交换。
3.下列有关发酵过程的做法中,符合生产实际的是(　　)A.通过人工诱变、杂交、基因工程选育菌种B.生产过程中产生的废弃物可直接排入附近农田作肥料C.分离单细胞蛋白时,通常采用萃取、离子交换等方法D.在连续培养过程中补充的同种培养液和空气须先灭菌
答案 D解析 一般通过人工诱变育种和基因工程的方法育成菌种,杂交育种进行的是有性生殖,不适用于细菌,A项错误;生产过程中产生的废弃物中,可能含有有毒重金属等有害物质,需要通过生物净化才能排入到附近农田,B项错误;分离单细胞蛋白时,通常采用萃取沉降、离心等方法,C项错误;由于连续培养是培养同种生物,因此在培养过程中为防止杂菌污染,补充同种培养液和空气时须先灭菌,D项正确。
易错提醒 发酵罐是发酵的核心设备,为发酵过程提供良好的反应环境。发酵罐结构主要包括反应容器和控制系统两大部分。反应容器提供发酵过程的反应环境,控制系统将反应环境控制在设定目标值范围内。(1)电动机和搅拌叶轮:机械搅拌物料使罐内物料混合良好,液体中的固形物保持悬浮状态,有利于固体和营养物质充分接触,便于营养吸收。(2)加入口和放料管:依据需要添加原料或排出发酵产物。(3)空气入口:依据发酵需要鼓入无菌空气。
(4)排气管:放气。(5)pH计:有利于监控发酵过程中的酸碱度变化。(6)温度传感器和控制装置:有利于监控发酵过程中的温度变化,依据生产需要控制合适温度。(7)冷却水进入口和冷却水排出口:依据生产需要控制合适温度,冷却水进入口在下,排出口在上。(8)取样管:取样判断发酵状态和程度。
1.利用微生物将纤维素发酵产生乙醇,和汽油按一定比例混合后形成乙醇汽油,请描述一下乙醇汽油的优点。提示 乙醇可通过粮食发酵制得,是可再生能源,推广使用乙醇汽油可以节省石油资源;乙醇燃烧生成二氧化碳和水,能减少汽车尾气的污染等。2.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。提示 可以利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾,可以利用发酵工程使烟气脱硫,还可以利用微生物工程除臭等。
3.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。提示 在农业生产中,可以利用农作物废弃物生产食用菌,生产有机肥或替代部分动物饲料;在植物保护方面,可以应用微生物或其代谢物来生产生物农药,治理病虫害等。
[探究应用]1.下列对发酵工程应用的描述,错误的是(　　)A.微生物肥料利用了微生物在发酵过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力B.微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的C.微生物饲料主要利用的是微生物菌体D.发酵工程和基因工程结合,能生产自然界不存在的蛋白质
答案 D解析 微生物肥料利用了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,A项正确;微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的,是生物防治的重要手段,B项正确;通过发酵获得大量的微生物菌体,即单细胞蛋白作为饲料,因此微生物饲料主要利用的是微生物菌体,C项正确;发酵工程和基因工程结合推动了发酵工程在医药领域的发展,但是只能生产自然界已存在的蛋白质,不能生产自然界不存在的蛋白质,D项错误。
2.(多选)(2021辽宁葫芦岛高二月考)与传统发酵技术相比,发酵工程的产品种类更加丰富,产量和质量明显提高。下列关于发酵工程的说法,正确的是(　　)A.通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白B.在发酵工程的发酵环节中,发酵条件既会影响微生物的生长繁殖,又会影响微生物的代谢途径C.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身D.谷氨酸的发酵生产中,在酸性条件下积累谷氨酸,碱性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺
答案 BC解析 单细胞蛋白是指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,A项错误;在发酵工程的发酵环节中,发酵条件不仅影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径,B项正确;发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身,C项正确;谷氨酸发酵过程中,当发酵液的pH为酸性时,谷氨酸棒状杆菌容易产生谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺,在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸,D项错误。
3.下图是葡萄酒发酵过程中一种发酵罐的示意图,请回答下列问题。
(1)家庭酿造葡萄酒时不需要添加酵母菌菌种,原因是　　　　　　　　　。制作果酒时,果酒变酸的原因可能是　　　　　　　　　　　　　　　。在工业生产葡萄酒时,一般需添加一定的发酵菌种,原因是　　　　　　　　　　　。 
(2)该装置中设计搅拌桨进行搅拌的意义是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。工业上在进行酒精发酵时,应保证进气口阀门　　　　(填“打开”或“关闭”)。发酵过程中发酵罐内的温度应保持相对稳定,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)为保证发酵效率,可通过检测　　　　　　　　　　　　　　来监测发酵进程,以便适时补充原料或终止发酵。 
答案 (1)自然状态下,葡萄皮上附着有酵母菌　空气中的醋酸菌进入果酒后发酵产生了乙酸　添加发酵菌种能使发酵时的菌种数量更多,纯度更高,以提高发酵效率和产品品质　(2)使菌种与发酵底物更能充分接触,提高发酵效率　关闭　酵母菌生长需要适宜温度,相对稳定的适宜温度有助于保证酵母菌的活性,从而提高发酵效率　(3)发酵液中的底物浓度或酒精浓度或微生物的数量
解析 (1)自然状态下,葡萄皮上附着有野生酵母菌,因此,家庭酿造葡萄酒时通常不添加酵母菌菌种。制作果酒时,空气中的醋酸菌进入果酒会发酵产生乙酸,使果酒变酸。制作葡萄酒时,添加发酵菌种能使发酵时的菌种数量更多,纯度更高,以提高发酵效率和产品品质,因此,在工业生产葡萄酒时,一般需添加一定的发酵菌种。(2)图示葡萄酒发酵装置中的搅拌桨在搅拌的过程中,使菌种与发酵底物更能充分接触,提高发酵效率。酒精发酵为无氧发酵,在进行酒精发酵时,应保证发酵装置进气口阀门关闭,并保持发酵装置温度相对稳定,其原因是:酵母菌生长需要适宜温度,相对稳定的适宜温度有助于保证酵母菌的活性,从而提高发酵效率。(3)通过检测发酵液中的底物浓度或酒精浓度或微生物的数量来监测发酵进程,便于适时补充原料或终止发酵,以保证发酵效率。