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第3节 发酵工程及其应用的教案
【教学目标】
阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。
核心素养：1.文化基础：举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。
2.自主发展：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。
3.社会参与：认可发酵工程在生产上的重要应用价值。
【教学重难点】
1.教学重点
发酵工程的基本环节、发酵工程的应用。
2.教学难点
发酵工程的基本环节
【新课导入】
利用教材“从社会中来”中的素材，明确青霉素的生产成本和价格因为发酵工程的应用大大降低，引发学生追问发酵工程的神奇，进而探讨青霉素的工业生产工程，由此归纳出发酵工程的概念。
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。
【新课讲解】
发酵工程的基本环节
1、选育菌种
1）目的：
获得性状优良的菌种。
2）菌种来源：自然界中筛选、诱变育种（产生的是常规菌，生产微生物自身能合成的产品，如青霉素）、基因工程、细胞工程定向育种（产生的是工程菌，生产微生物自身不能合成的产品，如胰岛素）
3）菌种选育的重要性（意义）
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
4）实例
筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期
2、扩大培养
1）目的：获得更多的菌种。
2）原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大。
3）扩大培养的培养基：一般为液体培养基。
3、培养基的配制、灭菌
1）配制要求
①在菌种确定之后（结合菌种代谢特点）选择原料制备培养基；
②在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定（即不断优化培养
基）；
2）灭菌原因
发酵工程种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
大降低
3）灭菌目的
避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量（培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌）
4、接种
将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中
5、发酵罐内发酵
1）地位：发酵工程的中心环节
2）要求：①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；②要及时添加必需的营养物质，要严格控制温度、pH、溶氧量等发酵条件。
3）严格控制发酵条件的原因
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态
4）不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸
②在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺
5）发酵容器：发酵罐
见下图
6）现代发酵工程使用的发酵罐的优点
均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、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。
6、产品的分离、提纯
1）目的：获得产品
2）产品的两种形式
①微生物细胞本身 ②代谢物
3）采取手段
①发酵产品是微生物细胞本身时，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
②发酵产品是代谢物时，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
思考、讨论：
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？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
②生产所需代谢物的产量高；
③发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
2、怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
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随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；
④及时添加必需的营养组分；
⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件
进行监测和控制，以及反馈控制
3、在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
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菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
4、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？
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。
发酵工程的应用
1、在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵食品
①实例1——生产酱油
②实例2——酿酒
（2）生产食品添加剂
①食品添加剂优点
增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期
②实例1——柠檬酸
柠檬酸是一种食品酸度调节剂；可以通过黑曲霉的有氧发酵制得；
③实例2——味精
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；由谷氨酸棒状杆菌经有氧发酵可以
得到谷氨酸；
（3）生产酶制剂
①常见酶制剂
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶
②酶制剂应用
食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、
延长食品储存期和提高产品产量等；
③酶制剂来源
少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产；
啤酒的工业化生产流程：
原料：大麦、酵母菌
过程：
1）发芽：大麦种子释放淀粉酶
2）焙烤：加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失活，减少胚发育时有机物的消耗
3）碾磨：使麦芽磨碎，便于糖化
4）糖化：在淀粉酶的作用下，分解淀粉形成葡萄糖
5）蒸煮：加入啤酒花这种植物，改良啤酒风味、质量和防腐，同时高温灭菌、
终止酶的进一步作用
6）发酵：冷却后，加入酵母菌进行发酵，发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶
段，主发酵完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成；后
发酵阶段需要低温、密闭，以使二氧化碳溶于啤酒中。
7）消毒：杀死大多数微生物，但不是全部，因此，啤酒有保质期
8）终止：过滤、调节、分装啤酒出售
思考、讨论：
1、与传统的手工发酵相比，在上面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高
菌种的选育；对原材料的处理； 发酵过程的控制；产品的消毒等
2、“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别是什么？
2、在医药工业上的应用
（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
例如利用微生物生产生长激素释放抑制激素，提取紫杉醇、青蒿素前体等
化合物。
（3）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
例如乙型肝炎疫苗就是将乙肝病毒的抗原基因转入酵母菌，再发酵生产。
3、在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
①微生物肥料的种类
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；有的微生物肥料可以抑制
土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生.
（2）生产微生物农药
①微生物农药的作用
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②防治类型：生物防治
（3）生产微生物饲料
①原理
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
许多国家以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发
酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白；单细胞蛋白应用——食品
添加剂、微生物饲料；
③实例2-乳酸菌
在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食
用后还能提高免疫力。
4、在其他方面的应用
（1）解决资源短缺与环境污染问题
随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等
能源物质已取得成功
（2）将极端微生物应用于生产实践
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高
温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
例如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产
品的产量。
【板书】
第3节 发酵工程及应用
一、发酵工程的基本环节
（1）选育菌种
（2）扩大培养
（3）培养基的配制、灭菌
（4）接种
（5）发酵罐内发酵（中心环节）
（6）分离、提纯产物
二、发酵工程的应用
（1）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

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