1.3發(fā)酵工程及其應(yīng)用-高二生物優(yōu)選一點通（人教版2019選擇性必修3）

第3節(jié)發(fā)酵工程及應(yīng)用從社會中來

青霉素是世界上第一個應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學(xué)家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，一瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的？選育菌種擴大培養(yǎng)培養(yǎng)基的配制、滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)品的分離、提純1、隨著人們對

的認(rèn)識，

技術(shù)的建立，以及

的設(shè)計成功，人們能夠在嚴(yán)格控制的環(huán)境條件下，大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，發(fā)酵工程逐步形成。發(fā)酵原理微生物純培養(yǎng)密閉式發(fā)酵罐2、發(fā)酵工程的環(huán)節(jié)：一般包括：菌種的選育

擴大培養(yǎng)

培養(yǎng)基的配制、滅菌

接種發(fā)酵

產(chǎn)品的分離、提純等一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.選育菌種（1）目的：獲得

。（2）菌種來源

、________或

。自然界中篩選誘變育種基因工程育種性狀優(yōu)良的菌種（3）菌種選育的重要性（意義）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，它往往還會賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨特的風(fēng)味，因此菌種選育環(huán)節(jié)在很大程度上決定了生物發(fā)酵產(chǎn)物的成敗。（4）實例生產(chǎn)檸檬酸需要篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉。

使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵過程、縮短生產(chǎn)周期。2.擴大培養(yǎng)（1）目的：獲得

。（2）原因：

一般較大，因此，需要接入的

大（數(shù)目多）（3）擴大培養(yǎng)的培養(yǎng)基一般為

。工業(yè)發(fā)酵罐的體積菌種總體積更多的菌種液體培養(yǎng)基一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)3.配制培養(yǎng)基、滅菌（1）配制要求①在

，（結(jié)合菌種代謝特點）選擇原料制備培養(yǎng)基；②在生產(chǎn)實踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過

才能確定（即不斷優(yōu)化培養(yǎng)基）；（2）滅菌原因

發(fā)酵工程中所用的菌種大多是

，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致

。（3）滅菌目的

。反復(fù)試驗菌種確定之后單一菌種產(chǎn)量大大下降避免因雜菌污染而影響產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)電動機D1排氣管C3pH計B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪D2生物傳感器裝置B4空氣入口A4放料管A2A3閥門A1培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質(zhì)的加入口B1觀察孔B2取樣管B5溫度傳感器和控制裝置C1冷卻水進入口發(fā)酵容器：________發(fā)酵罐裝置編號主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2控制培養(yǎng)物以一定速度進入、流出發(fā)酵罐，實現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)控制溶解氧通過肉眼觀察、儀器檢測等監(jiān)控發(fā)酵條件以及發(fā)酵過程，B2處抽取樣品進一步檢測通過控制冷水流速調(diào)節(jié)罐溫調(diào)節(jié)罐壓電機帶動葉輪轉(zhuǎn)動進行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)4.接種

將

的菌種投放到

中發(fā)酵罐擴大培養(yǎng)后一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)5.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)（1）地位

發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵是發(fā)酵工程的

。

（2）要求①發(fā)酵過程中，要________培養(yǎng)液中___________、________等，以____________；②要及時添加

，要嚴(yán)格控制_____、____和______等發(fā)酵條件。（3）嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因隨時檢測中心環(huán)節(jié)微生物數(shù)量產(chǎn)物濃度了解發(fā)酵進程必需的營養(yǎng)組分溫度pH溶解氧①環(huán)境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；②嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，有利于使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)5.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)（4）不同發(fā)酵條件的影響實例——谷氨酸發(fā)酵①在

和

條件下會積累谷氨酸；②在

條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。中性弱堿性酸性①谷氨酸發(fā)酵常用菌種為谷氨酸棒狀桿菌。②谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型為異養(yǎng)需氧型，其與有氧呼吸有關(guān)的酶主要存在于細(xì)胞膜上。③C:N的數(shù)值也會影響谷氨酸發(fā)酵過程：C:N=4:1時，菌體大量繁殖，谷氨酸產(chǎn)生量較少；C:N=3:1時，菌體繁殖受抑制，谷氨酸產(chǎn)生量較多。5.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)（5）現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點均有

，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等進行

和

，還可以進行

，使發(fā)酵全過程處于________。計算機控制系統(tǒng)監(jiān)測控制反饋控制最佳狀態(tài)一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)6.分離、提純產(chǎn)物（1）目的：

。（2）產(chǎn)品的兩種形式①______________；②_________。（3）采取手段①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_____、_____等方法將菌體_____和_____，即可得到產(chǎn)品。②如果發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物，可

采取____的_____、_____和_____措施來獲得產(chǎn)品。微生物細(xì)胞本身獲得產(chǎn)品代謝物過濾沉淀分離干燥根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)適當(dāng)提取分離純化一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)思考·討論發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時，需要考慮哪些因素？2.怎樣對發(fā)酵條件進行調(diào)控以滿足微生物的生長需要？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)酵條件容易控制；④菌種不易變異，退化等。要對溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進行嚴(yán)格控制，使其最適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必要的營養(yǎng)組分。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)相比有哪些改進之處？

傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)獲得的產(chǎn)物一般不是單一的組分，而是成分復(fù)雜的混合物，很多時候不會再對產(chǎn)物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離提純產(chǎn)物。在發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。在產(chǎn)物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結(jié)晶法等方法。發(fā)酵工程產(chǎn)物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質(zhì)量檢查，合格后才能成為正式產(chǎn)品。思考·討論發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析4.在進行發(fā)酵生產(chǎn)時,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。因為在進行發(fā)酵生產(chǎn)時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。為了減少或避免污染物的產(chǎn)生和排放，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進行二次清潔或滅菌處理。思考·討論發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析P22旁欄思考提示：我國幅員遼闊，地理生態(tài)環(huán)境多樣，這為各種微生物的生長繁殖提供了條件，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，它往往還會賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨特的風(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?；经h(huán)節(jié)主要內(nèi)容①選育菌種②擴大培養(yǎng)③配制培養(yǎng)基、滅菌④接種菌種來源：自然界中篩選、誘變育種、基因工程育種原因：工業(yè)發(fā)酵罐體積一般較大，需要接入的菌種總體積大①在菌種確定之后（結(jié)合菌種代謝特點）選擇原料制備；②在生產(chǎn)實踐中，培養(yǎng)基配方要經(jīng)過反復(fù)試驗才能確定；③發(fā)酵工程中所用的菌種大多是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大降低；④培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌。將擴大培養(yǎng)后的菌種投放到發(fā)酵罐中總結(jié)基本環(huán)節(jié)主要內(nèi)容⑤發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵①這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)；②發(fā)酵過程中，要隨時監(jiān)測培養(yǎng)液中微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等，以了解發(fā)酵進程；③要及時添加必需的營養(yǎng)組分；④要嚴(yán)格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件；⑤嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因：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。嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，有利于使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)。⑥分離、提純產(chǎn)物①發(fā)酵產(chǎn)品的兩種形式：微生物細(xì)胞本身、代謝物；②前者采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥；③后者根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施?？偨Y(jié)發(fā)酵工程的優(yōu)點：

①生產(chǎn)條件溫和；②原料來源豐富且價格低廉；③產(chǎn)物專一；④廢棄物對環(huán)境的污染小和容易處理。

因此，發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用食品工業(yè)是微生物最早開發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域。（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品①實例1——生產(chǎn)醬油②實例2——釀酒谷物或水果釀酒酵母酒類大豆黑曲霉蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸淋洗、調(diào)制醬油二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用（2）生產(chǎn)食品添加劑①食品添加劑優(yōu)點增加食品的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長食品的保存期。②實例1——檸檬酸

檸檬酸是一種食品酸度調(diào)節(jié)劑，

可以通過黑曲霉的發(fā)酵制得。③實例2——味精

谷氨酸經(jīng)過一系列處理就能制成味精，由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用（2）生產(chǎn)食品添加劑

④常見的食品添加劑二、發(fā)酵工程的應(yīng)用添加劑類型舉例酸度調(diào)節(jié)劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環(huán)狀糊精、結(jié)冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用（3）生產(chǎn)酶制劑①常見酶制劑α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶等②酶制劑應(yīng)用食品的直接生產(chǎn)、改進生產(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。③酶制劑來源少數(shù)由動植物生產(chǎn)，絕大多數(shù)通過發(fā)酵工程生產(chǎn)。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用思考·討論啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程要點梳理：1.啤酒的發(fā)酵過程分為_______和_______兩個階段；2.主發(fā)酵階段完成

；3.后發(fā)酵的條件

；4.焙烤的目的：

；5.蒸煮的目的：

。主發(fā)酵后發(fā)酵酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌主發(fā)酵發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止后發(fā)酵思考·討論啤酒的工業(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)酵思考：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行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌進行酒精發(fā)酵產(chǎn)生酒精。酒精在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)榇姿帷?.啤酒生產(chǎn)中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵后期，如果密封不嚴(yán)，會使啤酒變酸，你知道這是發(fā)生了什么變化嗎？思考·討論啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程3.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在上面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高?菌種的選育、對原材料的處理、發(fā)酵過程的控制、產(chǎn)品的消毒等。4.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認(rèn)為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒，是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時間長、產(chǎn)量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們?nèi)绾慰创笠?guī)模生產(chǎn)和小規(guī)模制作？提示：應(yīng)該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類產(chǎn)品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面,這類產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價格昂貴的問題。2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用（1）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。（2）直接對菌種進行改造，再通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。例如利用微生物生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素，提取紫杉醇、青蒿素前體等化合物，制作疫苗。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用生產(chǎn)疫苗具體操作：將病原體的某個或某幾個抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用（1）生產(chǎn)微生物肥料①微生物肥料的種類

根瘤菌肥、固氮菌肥②微生物肥料的作用微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機酸、生物活性物質(zhì)等來增進土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進植株生長，常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥。有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發(fā)生。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用（2）生產(chǎn)微生物農(nóng)藥①微生物農(nóng)藥的作用利用微生物或其代謝物來防治病蟲害②防治類型

屬于_________③實例二、發(fā)酵工程的應(yīng)用生物防治微生物或代謝產(chǎn)物防治病蟲害種類蘇云金桿菌80多種農(nóng)林害蟲白僵菌玉米螟、松毛蟲一種放線菌產(chǎn)生的抗生素（井岡霉素）水稻枯紋病3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用（3）生產(chǎn)微生物飼料①原理微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，且生長繁殖速度快②實例1——單細(xì)胞蛋白許多國家以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細(xì)胞蛋白。

單細(xì)胞蛋白應(yīng)用——食品添加劑、微生物飼料。③實例2-乳酸菌在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質(zhì)，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用4.在其他方面的應(yīng)用（1）解決資源短缺與環(huán)境污染問題隨著對纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)已取得成功。（2）將極端微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實踐自然界中還存在著一定數(shù)量的極端微生物，它們能在各種極端惡劣的環(huán)境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）中正常生活。例如嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產(chǎn)洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用小結(jié)二、1.⑴可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉(zhuǎn)入青霉素生產(chǎn)菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。練習(xí)與應(yīng)用⑵可以對兩種酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產(chǎn)菌只生產(chǎn)一種產(chǎn)物。二、2.在生產(chǎn)燃料乙醇時,