【生物課件】發(fā)酵工程及其應(yīng)用 2022-2023學(xué)年高二下學(xué)期生物人教版（2019）選擇性必修3

第三節(jié)

發(fā)酵工程及其應(yīng)用第1章

發(fā)酵工程人教版高中生物選擇性必修3

學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過分析現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵的原理、它與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的區(qū)別及其用到的現(xiàn)代化的工程技術(shù)，建構(gòu)發(fā)酵工程的概念，概述發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。2.發(fā)展工程思維，認(rèn)同發(fā)酵工程為人類提供了多樣的生物產(chǎn)品。

情境視頻發(fā)酵工程

發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二目錄一

發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一對發(fā)酵原理的認(rèn)識微生物純培養(yǎng)技術(shù)建立密閉式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)成功嚴(yán)格控制環(huán)境條件(溫度、pH、溶解氧、壓強(qiáng)、營養(yǎng)物、泡沫等)大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品微生物的特定功能現(xiàn)代化工程技術(shù)利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)，生產(chǎn)對人類有用的物質(zhì)的技術(shù)體系?！l(fā)酵工程一

發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一生產(chǎn)檸檬酸生產(chǎn)啤酒生產(chǎn)味精黑曲霉啤酒酵母谷氨酸棒狀桿菌接種選育菌種配制培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)滅菌現(xiàn)代發(fā)酵工程使用大型發(fā)酵罐均有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、

、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和

等進(jìn)行監(jiān)測和控制；還可以進(jìn)行

控制，使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)。發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵工業(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。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌。性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。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)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。生產(chǎn)青霉素黃青霉在青霉素生產(chǎn)過程中如果有雜菌污染，某些雜菌會分泌青霉素酶，將青霉素分解掉。一

發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一接種選育菌種配制培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)滅菌發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵現(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)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、

、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和

等進(jìn)行監(jiān)測和控制；還可以進(jìn)行

控制，使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)。分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品

這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過程中，要隨時(shí)檢測培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、

等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的

，要嚴(yán)格控制溫度、pH和

__

等發(fā)酵條件。環(huán)境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成。產(chǎn)物濃度營養(yǎng)組分溶解氧如果發(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

、沉淀等方法將菌體分離和

，即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的

采取適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和

措施來獲得產(chǎn)品。溶解氧營養(yǎng)反饋過濾干燥性質(zhì)純化電動機(jī)排氣管pH計(jì)冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管閥門培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質(zhì)的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進(jìn)入口一邊閱讀，一邊完成學(xué)案上的表格某鎮(zhèn)特產(chǎn)一種美酒，以下是對該鎮(zhèn)環(huán)境的描述：四面環(huán)山，地勢低洼，氣候炎熱，具有獨(dú)特的微生物種群，因?yàn)榕c外界的空氣對流循環(huán)較緩慢，所以微生物種群較穩(wěn)定。這對你理解發(fā)酵工程中菌種選育的重要性有什么啟示?我國幅員遼闊，地理生態(tài)環(huán)境多樣，為各種微生物的生長繁殖提供了條件，這有利于發(fā)酵工程選育菌種。優(yōu)良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，它往往還會賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨(dú)特的風(fēng)味，因此菌種選育環(huán)節(jié)很大程度上決定了生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品的成敗。一

發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析及應(yīng)用任務(wù)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？①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖；②生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高；③發(fā)酵條件易控制；④菌種不易變異，退化等。發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析及應(yīng)用任務(wù)2.怎樣對發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長需要？①反復(fù)試驗(yàn)確定培養(yǎng)基的配方；②對培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌；③隨時(shí)檢測培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產(chǎn)物濃度等；④及時(shí)添加必需的營養(yǎng)組分；⑤嚴(yán)格控制溫度、pH和溶氧量等發(fā)酵條件，使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對各種條件進(jìn)行監(jiān)測和控制，以及反饋控制要對溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其最適合微生物的生長繁殖，同時(shí)及時(shí)添加必要的營養(yǎng)組分。發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析及應(yīng)用任務(wù)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)獲得的產(chǎn)物一般不是單一組分，而是成分復(fù)雜的混合物，很多時(shí)候不會再對產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純處理。在發(fā)酵工程中，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，采用過濾、沉淀等方法將菌體從發(fā)酵液中分離出來。如果產(chǎn)品是代謝物，可采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進(jìn)行提取。發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析及應(yīng)用任務(wù)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？不能直接排放到外界環(huán)境中；因?yàn)榘l(fā)酵過程可能產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，會污染環(huán)境。為了減少或避免污染物的產(chǎn)生和排放，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對排出的氣體和廢氣培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或滅菌處理。

發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二目錄一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二產(chǎn)物專一生產(chǎn)條件溫和原料來源豐富且價(jià)格低廉廢棄物對環(huán)境污染小且容易處理發(fā)酵工程的特點(diǎn)在食品工業(yè)上的應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用在其他方面的應(yīng)用發(fā)酵工程的應(yīng)用利用黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸谷氨酸棒狀桿菌生產(chǎn)味精利用黑曲霉生產(chǎn)醬油利用酵母菌生產(chǎn)酒類淀粉酶、果膠酶、脂肪酶和氨基肽酶等一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品明顯提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量食品添加劑增加食品的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長食品的保存期用于食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡化生產(chǎn)過程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長食品儲存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等方面(一)在食品工業(yè)上的應(yīng)用酶制劑一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的作用對糖漿滅菌一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二加啤酒花完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時(shí)間,形成澄清、成熟的啤酒。討論1：酵母菌酒精發(fā)酵過程中為什么要“先通氣后密封”？“通氣”的目的是使酵母菌進(jìn)行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵產(chǎn)生酒精。啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程主發(fā)酵發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止后發(fā)酵冷卻過濾接種加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的作用對糖漿滅菌一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二加啤酒花完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時(shí)間,形成澄清、成熟的啤酒。討論2：發(fā)酵后期，如果密封不嚴(yán)，會使啤酒變酸，這是發(fā)生了什么變化嗎？酒精在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)榇姿?。啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵主發(fā)酵消毒終止后發(fā)酵冷卻過濾接種加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二人們可以采用基因工程等的方法直接對菌種進(jìn)行改造，再通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。改造菌種人們可以采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物;工程菌科學(xué)家還利用基因工程，將病原體的某個(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物就可以作為疫苗使用疫苗利用經(jīng)過基因改造的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素未來可能用微生物來生產(chǎn)過去只能從植物中提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物將乙型肝炎病毒的抗原基因轉(zhuǎn)入酵母菌，再通過發(fā)酵生產(chǎn)疫苗(二)醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二微生物飼料微生物農(nóng)藥微生物肥料根瘤菌肥

固氮菌肥等蘇云金桿菌等單細(xì)胞蛋白等增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長，抑制土壤中病原微生物的生長生物防治的重要手段，將在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用。生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。(三)在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二解決資源短缺和環(huán)境污染問題對極端微生物的利用(四)在其他方面的應(yīng)用一

發(fā)酵工程的應(yīng)用二提示：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以利用農(nóng)作物廢棄物生產(chǎn)食用菌，利用菌糠生產(chǎn)有機(jī)肥或部分替代動物飼料；在植物保護(hù)方面,應(yīng)用微生物產(chǎn)生的抗生素來生產(chǎn)生物農(nóng)藥，治理病蟲害等。1.請列舉一下發(fā)酵工程在環(huán)境保護(hù)方面的其他應(yīng)用。提示：利用微生物發(fā)酵清理城市廢棄物垃圾，利用發(fā)酵工程使煙氣脫硫，還可以利用微生物工程除臭等。2.請列舉一下發(fā)酵工程在其他行業(yè)中的應(yīng)用。思考核心歸納

發(fā)酵工程傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)不同點(diǎn)菌種通過微生物

技術(shù)篩選或其它技術(shù)生產(chǎn)的優(yōu)良菌種，大多是

菌種原材料中天然存在的

菌種發(fā)酵方式

發(fā)酵為主固體發(fā)酵或__________發(fā)酵為主對發(fā)酵條件的控制嚴(yán)格_______操作，防止雜菌污染。通過

技術(shù)對發(fā)酵條件精確地控制，使發(fā)酵條件處于最佳狀態(tài)。不是無菌操作，容易受到

染。對發(fā)酵條件不能嚴(yán)格控制，易受

影響。生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模大，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。原料來源豐富，成本_____，產(chǎn)物_____，產(chǎn)量_____。通常是

或作坊式的，產(chǎn)量低。生產(chǎn)往往受

和原料限制。產(chǎn)品風(fēng)味品種比較_____，質(zhì)量

。相同點(diǎn)都是利用了__________的作用聯(lián)系發(fā)酵工程是在傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的純培養(yǎng)單一混合液體半固體無菌現(xiàn)代工程雜菌外界條件低多樣高家庭式季節(jié)單一不穩(wěn)定微生物(1)發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)是對微生物細(xì)胞本身或其代謝物進(jìn)行分離、提純(

)×發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。(2)谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)在酸性條件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺(

)(3)現(xiàn)代發(fā)酵工程中所用的菌種大多是復(fù)合菌種以提高生產(chǎn)效率(

)√×發(fā)酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。(4)發(fā)酵工程生產(chǎn)條件溫和、原料來源豐富，但廢棄物對環(huán)境污染很大，不易處理(

)×發(fā)酵工程生產(chǎn)條件溫和、原料來源豐富，且廢棄物對環(huán)境污染小，容易處理。(5)生產(chǎn)檸檬酸需要篩選產(chǎn)酸量高的乳酸菌(

)×生產(chǎn)檸檬酸需要篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉，而不是乳酸菌。跟蹤訓(xùn)練√1.(2023·安徽安慶高二期末)發(fā)酵工程在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用，其生產(chǎn)流程如圖所示。結(jié)合賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)實(shí)際，下列說法不正確的是A.①為誘變育種，②為萃取

(或蒸餾或離子交換等)B.賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)過程中為使產(chǎn)物源源不斷地產(chǎn)生，可采用連續(xù)培養(yǎng)的發(fā)酵方式C.由于賴氨酸或谷氨酸的發(fā)酵菌種為好氧菌，在生產(chǎn)過程中常需增加通氧量D.人工控制微生物代謝的唯一措施是控制生產(chǎn)過程中的各種條件跟蹤訓(xùn)練人工控制微生物代謝的措施包括改變微生物的遺傳特性、控制生產(chǎn)過程中的各種條件(即發(fā)酵條件)等，D錯誤。跟蹤訓(xùn)練2.(2023·河南濮陽高二期中)下列有關(guān)發(fā)酵工程的敘述，正確的是A.與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)不同，發(fā)酵工程可以利用微生物來進(jìn)行發(fā)酵B.利用谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵產(chǎn)谷氨酸時(shí)需在中性或弱堿性條件下C.利用微生物農(nóng)藥是一種很重要的化學(xué)防治手段D.培養(yǎng)基或發(fā)酵設(shè)備消