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1、生物技术与工程发酵工程基因工程重组DNA技术的基本工具传统发酵技术的应用 选择性必修选择性必修3 3生物技术与工程生物技术与工程细胞工程生物技术的安全性与伦理问题微生物的培养技术及应用动物细胞工程植物细胞工程基因工程的基本操作程序基因工程的运用蛋白质工程的原理和应用转基因产品的安全性发酵工程及其应用胚胎工程关注生殖性克隆人、禁止生物武器第第1 1章章 发酵工程发酵工程第第3 3节节 发酵工程及应用发酵工程及应用（第一课时）（第一课时）学习目标目标010102020303根据发酵产品和利用微生物的不同，讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。（科学探究）基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程
2、的概念。（科学思维）认可发酵工程在生产上重要的应用价值。（社会责任）微生物的选择培养和计数微生物的选择培养选择培养基科学实例筛选原因、思路、启示选择培养基的原理、概念、类型、举例选择培养基的作用微生物选择培养获取纯培养物的方法-稀释涂布平板法稀释涂布平板法的操作过程稀释涂布平板法的注意事项间接计数法 稀释涂布平板法直接计数 计数板计数法培养基的制备实验设计分析与评价微生物的数量测定土壤中分解尿素的细菌的分离与计数（1）土壤取样（2）样品的稀释（3）稀释涂布平板法接种（4）微生物的培养与观察温故知新温故知新情境视频一：情境视频一：从社会中来从社会中来 一代神药青霉素（视频）青霉素是世界上第一个应
3、用于临床的抗生素。问题问题1:1:你知道青霉素的历你知道青霉素的历史吗？史吗？早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。情境视频一：情境视频一：从社会中来从社会中来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青霉素，它的价格贵如金。早期早期1 1瓶规格大瓶规格大概概2020万单位万单位的青的青霉素最高卖到霉素最高卖到一根金条如今如今1 1瓶规格瓶规格160160万单位万单位的的青霉素注射剂青霉素注射剂一元问题问题2:2:那么，在工业上青霉素究竟是怎样生产的呢那么，在工业上青霉素究竟是怎样生产的呢？微生物纯培养技术的微生物纯培养技术的建立建立密闭式发酵罐
4、的设计密闭式发酵罐的设计成功成功人们对发酵原理的认识发酵工程形成一、发酵工程的形成一、发酵工程的形成发酵工程：是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。问题问题3:3:发酵工程基本环节是什么发酵工程基本环节是什么？目录CONTENTS发酵工程的应用2/发酵工程的基本环节1/0101 发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节 发酵工程视频欣赏（视频）结合图1-9，完成P23【思考.讨论】，简述发酵工程的基本环节的具体内容。怎样对菌种进行扩大培养？扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养
5、基？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？怎样才能得到优良菌种？怎样对发酵条件进行调控以满足微生物生长的需要？合作探究一：合作探究一：请同学们自主阅读教材请同学们自主阅读教材P P22-2322-23，小组合作思考讨论完成问题。，小组合作思考讨论完成问题。二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节选育菌种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。扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节生产微生物直接合成的产物生产微生物不能合成的产品如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先分离出相应
6、菌种，再用物理或化学的方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。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，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品目的。问题问题3:3:生物菌种资源丰富，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选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？怎样才能得到优良菌种？怎样才能得到优良菌种？二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节 某镇特产一种美酒，以下是对该镇某镇特产一种美酒，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，因为候炎热，具有独特的微生物种群，因为
7、与外界的空气对流循环较缓慢，所以微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？中菌种选育的重要性有什么启示？问题问题问题问题4:4:4:4:生物菌种资源丰富，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？选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？怎怎样才能得到优良菌种？样才能得到优良菌种？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、退化等选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节性状优良的菌
8、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。柠檬酸啤酒味精青霉素黑曲霉啤酒酵母黄青霉谷氨酸棒状杆菌选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节问题问题4:4:扩大培养目的是什么？扩大培养目的是什么？怎样对菌种进行扩大培养怎样对菌种进行扩大培养？（1）将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。问题问题5:5:扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？类型的培养基？发酵工程一般使用液体培养基（2）增加菌种数量，缩短生产周期选育菌种扩大培养灭菌配制培养基
9、接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节（1）在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。（2）生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定（即不断优化培养基）问题问题6:6:配制培养基需要考虑哪些因素配制培养基需要考虑哪些因素？选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节问题问题7:7:为什么要灭菌为什么要灭菌？发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。灭菌的原因分析：杂菌与菌种之间形成的种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。实例：在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分
10、泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。灭菌的目的：防止杂菌污染而影响产品的质量和品质。选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节将_的菌种投放到_中发酵罐扩大培养后选育菌种扩大培养灭菌配制培养基接种发酵罐内发酵分离提纯产物获得产品二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节发酵工程的中心环节实例：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。监控要点一监控要点二监控要点三检测培养液中的微生物数量、产物浓度等及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物
11、严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件培养物或营养物质的加入口观察孔取样管温度传感器及控制装置冷却水进入口阀门空气入口放料管生物传感器装置搅拌叶轮发酵液冷却夹层冷却水排出口pH计排气管电动机发酵罐示意图：抽取样本进行检测调节罐温调节罐压控制溶解氧含量不断搅拌的目的：使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率；加快O2的溶解以及散热。二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节选育菌种选育菌种扩大培养扩大培养灭菌灭菌配制培养基配制培养基接种接种发酵罐内发酵罐内发酵发酵分离提纯分离提纯产物产物获得获得产品产品二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节发酵产物类型获得产品的方法微生物细胞代
12、谢物过滤、沉淀等方法适当的提取、分离和纯化措施分离、提纯产物的方法措施：二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节问题问题8:8:在产物分离和提纯方面，在产物分离和提纯方面，发酵工程发酵工程与与传统发酵技术传统发酵技术相比有哪些相比有哪些改进之处？改进之处？传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，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，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。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、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是
13、菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。二、发酵工程的基本环节二、发酵工程的基本环节问题问题9:9:在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放能直接排放到到外界环境中吗外界环境中吗?为什么？为什么？不能因为在进行发酵生产时，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。发酵工程基本环节分析选育菌种扩大培养配置培养基灭菌接种发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品从自然界中筛选的常规菌种配置原则：目的明确、营养协调、pH适宜目的：防止杂菌污
14、染检测培养液中的微生物数量、产物浓度等地位：中心环节通过诱变育种或基因工程育种获得营养构成：水、无机盐、碳源、氮源等对象：培养基和发酵罐及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物代谢物：适当的提取、分离和纯化措施严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件注意：培养基使用前要经过反复试验才能用于大规模生产条件：环境条件稳定、温和，利于菌种生长繁殖目的：增加菌种数量所用培养基：液体培养基或固体培基菌体本身：过滤、沉淀监控途径课堂小结课堂小结 实战训练实战训练1.发酵工程的正确操作过程是()发酵 培养基的配制 灭菌 产品的分离与提纯菌种的选育 接种 扩大培养A
15、.B.C.D.实战训练实战训练2.下列关于微生物发酵过程的说法，正确的是（）A.菌种选育是发酵工程的中心环节B.只要不断地向发酵罐中通入液体培养基，就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、溶氧、通气量与转速等发酵条件，否则会影响菌种代谢产物的形成D.在发酵工程的发酵环节中，发酵条件会影响微生物的生长繁殖，但是不影响微生物的代谢途径 实战训练实战训练3中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，其以糖蜜（甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖）为原料，在实验室通过发酵生产出PHA等新型高附加值可降解材料，从而提高了甘蔗的整体利用价值。具体的工艺流程如下图示。下列说法错误的是
16、（）A为了筛选出耐高浓度蔗糖的菌株H，可在液体培养基中将蔗糖作为唯一碳源，并不断提高其浓度B为统计培养液中H菌的数目，可在培养过程中定期取样借助血球计数板进行计数C发酵工程的中心环节是分离、提纯产物D若在适宜营养物浓度、温度和pH条件下发酵，菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期且产生了少量的乙醇，可以通过增加搅拌棒的转速等方式改善 实战训练实战训练4绍兴黄酒驰名中外，酿造时通常以谷物为原料，利用现代发酵工程技术经高温蒸煮后添加酒曲糖化发酵而成。下列叙述不正确的是（）A酒曲中的菌种可从自然界筛选出来，应含有酵母菌以及能产生淀粉酶的菌种等B发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，需检测培养液中的微生物
17、数量、产物浓度等C高温蒸煮可产生风味组分，加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活，并对糖浆灭菌D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 实战训练实战训练5关于传统发酵和发酵工程应用的说法，错误的是（）A制作果醋时的温度比制作果酒时的温度高B制作腐乳和面包利用的主要微生物的细胞结构相似C发酵过程中，发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节D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大，不易处理 实战训练实战训练6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成功设计，发酵工程逐步形成。下列有关叙述正确的是（）A发酵工程的产品可以是微生物细胞本身B发酵工程中的发
18、酵条件不影响微生物的代谢途径C发酵工程多为混合菌种发酵D发酵工程和传统发酵技术的唯一区别是所用微生物的种类不同 实战训练实战训练7在利用传统发酵技术制作发酵食品的过程中，控制发酵条件至关重要。下列相关叙述正确的是（）传统发酵以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主制作果酒的葡萄汁不宜超过发酵瓶体积的2/3制作泡菜的盐水要淹没全部菜料向泡菜坛盖边沿的水槽中注满水，以形成内部无菌环境制作醋时经常翻动发酵物的主要目的是控制发酵温度A B C D 实战训练实战训练8蓝莓酒被称为“液体黄金”“口服化妆品”等。蓝莓酒工业化生产的大致流程如下：蓝莓破碎酶解榨汁过滤灭菌主发酵后发酵分离提纯。下列叙述中错误的是（）
19、A蓝莓：花青素等成分存在于液泡中B灭菌：杀灭杂菌为后续接种作准备C主发酵：要随时检测微生物含量D后发酵：生成酒精主要在此过程发生 实战训练实战训练9如图为酱油的制作流程，其中米曲霉发酵过程的主要目的是使米曲霉充分生长繁殖，大量分泌制作酱油所需的蛋白酶、脂肪酶等，该过程需要提供营养物质、通入空气。下列说法错误的是（）A发酵罐发酵类型为有氧发酵，而发酵池发酵为无氧发酵B发酵池发酵过程中添加的食盐可以抑制杂菌的生长繁殖C发酵罐发酵需要将罐内的 pH 控制在中性或弱碱性条件下D发酵罐发酵与啤酒生产中的糖化都存在大分子降解的过程 实战训练实战训练10青霉素别名为盘尼西林，它是最早发现、最先提纯、临床上应
20、用最广的一种抗生素，发酵工程中常利用产黄青霉来生产青霉素。下列相关叙述正确的是（）A选育菌种时，可以借助诱变育种、杂交育种等技术获取高产青霉素的产黄青霉菌株B由于青霉素对细菌具有广泛的抑制作用，所以对生产青霉素的发酵设备进行消毒处理即可C由于产黄青霉生长最适温度和生产青霉素的适宜温度不同，所以发酵时不同阶段要控制不同温度D发酵结束后，可根据青霉素的化学性质采用过滤、沉淀等方法从发酵液中提取青霉素 实战训练实战训练11获得纯净的微生物培养物，防止杂菌污染是发酵工程的重要基础。下列叙述错误的是（）发酵工程的中心环节是分离、提纯产物单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的发酵工程的废弃物对环境污染小并且
21、容易处理微生物的纯培养物就是不含有代谢废物的微生物培养物微生物的纯培养包括配制培养基、灭菌、接种、分离和培养等步骤A B C D 实战训练实战训练12绍兴是黄酒之乡，“麦曲酶长，酵米复芳；白梅酒娘，伴淋寒香；压滤琼浆，煎煮陈藏”是对绍兴黄酒精致复杂酿造工艺的描述。在黄酒的主发酵过程中，“开耙”（搅拌）是极为关键的一步。下列相关叙述错误的是（）A接种麦曲有利于淀粉的糖化，有利于“酒娘”菌种发酵B煎煮的目的是除去发酵产品中的杂菌，利于酵母菌繁殖C陈藏需要在低温、密闭环境中进行，形成更芳香的酒D发酵过程中“开耙”可适当提供O2，调节pH，活化酵母 实战训练实战训练13下列有关传统发酵技术和发酵工程的
22、叙述，错误的是（）A传统发酵技术通常未严格灭菌，发酵工程则需严格灭菌B传统发酵技术常用混合菌种，发酵工程菌种则较为单一C传统发酵技术多为厌氧发酵，发酵工程则多为需氧发酵D传统发酵技术的培养基为天然取材，发酵工程常根据需要添加化学试剂 实战训练实战训练14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。下列相关表述正确的是（）A发酵工程的中心环节是菌种的选育和扩大培养B通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白C发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢产物的形成速度都与搅拌速率有关D发酵过程中，条件变化会影响微生物的生长繁殖，但不会影响微生物的代谢途径 实战训练实战训练15甘蔗榨糖后
23、的废弃液糖蜜中含有较多蔗糖，为了提高甘蔗的整体利用价值，中国科学家运用生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌，以糖蜜为原料，通过发酵工程生产 PHA 等新型高附加值可降解材料。嗜盐单胞菌产生的 PHA 在营养物质丰富时会贮存在细胞中，营养物质不足则被分解以维持细胞代谢。以下说法正确的是（）A菌种的选育是发酵工程的中心环节B选育好的菌种需要经扩大培养后再接种至发酵罐中C发酵过程糖蜜浓度越高越有利于嗜盐单胞菌的生长繁殖D直接将培养液过滤即可以从滤液中获得 PHA 实战训练实战训练16下列有关发酵工程应用的说法，正确的是（）A发酵工程和传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵B柠檬酸、乳酸等食品添加
24、剂可以通过发酵工程生产C分离、提纯获得微生物细胞本身或其代谢产物是发酵工程的中心环节D通过发酵工程可从微生物细胞中提取单细胞蛋白可作为食品添加剂，也可制成微生物饲料 实战训练实战训练17下列对发酵工程内容的叙述，错误的是（）A发酵工程的中心环节是在发酵罐内的发酵B发酵过程使用的菌种可以从自然界存在的微生物中直接筛选C发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标D通过对微生物细胞产物进行提取、分离和纯化等措施可获得单细胞蛋白 实战训练实战训练18土壤中含有丰富的磷资源，其中只有1%左右能被植物吸收利用，其他以无机磷酸盐固体形式存在。解磷细菌可以溶解磷酸盐固体，提高土壤肥力，促进农作物的
25、生长。某企业使用发酵工程生产解磷细菌菌肥，企业标准规定当发酵液解磷细菌的浓度达到 2108个/mL时，发酵结束，分装入库，经质量抽查合格之后，投放市场。下列叙述错误的是（）A获得解磷细菌的纯培养物的关键是防止外来杂菌的污染B使用平板划线法进行活菌计数时要待菌落数目稳定再记录结果C发酵工程生产解磷细菌时，培养基和发酵装置必须经过严格灭菌D发酵工程生产解磷细菌具有价格低廉、产物单一、容易处理等优点 实战训练实战训练19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、产品的分离、提纯等环节。下面有关分析正确的是（）A优良菌种只能通过诱变育种或基因工程育种来获得B扩大培养的目的是提高接种时发酵罐中菌种的数目C发酵工程的中心环节是灭菌，特别是培养基和发酵罐必须进行严格灭菌D若发酵产品是微生物细胞本身，可采用提取、纯化措施来获得产品 实战训练实战训练20某高校采用发酵罐进行葡萄酒发酵。下列叙述正确的是（）A可以采用过滤、沉淀等方法来获得葡萄酒B发酵工程中的中心环节是分离和提纯产物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在发酵工程中培养基需经过严格的灭菌，而发酵设备则保持干净不需灭菌