资源简介

人教版（2019）高中生物选择性必修3
第一章 发酵工程
第3节 发酵工程及应用
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
1.什么是发酵工程?
2.发酵工程的一般流程是什么?
3.发酵工程在生产上有哪些重要的价值?
从社会中来 P22
青霉素的生产
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。其发现者亚历山大·弗莱明（英国1881-1955。青霉素之父）在1945年获诺贝尔生理学医学奖。
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。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢?
发酵工程（微生物工程）
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐设计成功
严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
大规模生产
发酵产品
微生物的特定功能
现代化工程技术
发酵工程
发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。
一、发酵工的基本环节
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
生产柠檬酸
生产啤酒
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
谷氨酸
棒状杆菌
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
接种
选育菌种
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
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。
工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、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。
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。
如果发酵产品是微生物细胞本身，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，即可得到产品。如果产品是代谢物，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。
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3 阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
—发酵工程的中心环节！！！
发酵罐发酵
装置编号
主要用途
A1-A3
A4
B1-B5
C1、C2
C3
D1、D2
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测。
通过控制冷水流速调节罐温
调节罐压
电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。
5
一、发酵工程的基本环节
总结：发酵工程的基本环节
选育菌种
从自然界中筛选
通过诱变育种获得
通过基因工程育种获得
扩大菌种
接种
灭菌:不能有杂菌污染。如在青霉素生产过程中如果污染了杂菌,某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉
培养基的配制
发酵工程的中心环节。在了解发酵进程的同时,还要控制发酵条件。如环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖,而且会影响微生物代谢物的形成
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
中心环节
思考：
1.扩大培养目的是什么？
2.扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选 培养基进行培养。
快速增加菌种数量
液体
液体培养基使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。
3.为什么要严格控制发酵条件？
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；
一、发酵工程的基本环节
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？
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
要对温度、pH和溶解氧等发酵条件进行严格控制，
使其适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养组分。
①繁殖快、代谢旺盛、代谢产物多
②对营养物质的要求低，低成本培养
③发酵条件容易控制；
④菌种不易变异、退化等。
思考·讨论
发酵工程的基本环节
思考·讨论
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？
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。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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。
传统发酵工艺获得的产物主要是成分复杂的混合物，一般不会进行
产物的分离提纯或仅是依靠简单的分离沉淀来提纯。
发酵工程中会使用较多的分离提纯方法，如沉淀、萃取、膜分离等。
其产物都要进行严格的质量检查。
1．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。
(1)图中①表示的育种方法是
________________。
(2)人工控制微生物代谢的措施包
括________________ 和 __________________________。
(3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断
地产生，这说明该生产采用了________的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为 ______菌。
(4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用____________________等分离提纯的方法进行提取。
诱变育种
改变微生物遗传特性 　 控制生产过程中的各种条件
连续培养
好氧
萃取(或蒸馏或离子交换等)
牛刀小试
关于啤酒发展史的视频
例：啤酒的工业化生产流程
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
冷却
大麦种子发芽，释放淀粉酶。
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉分解，形成糖浆。
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
酵母菌将糖转化为酒精和CO2。
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
消毒
终止
后发酵
过滤
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
例：啤酒的工业化生产流程
1.与传统的手工发酵相比，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？
2.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？
提示：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，都有助于提高啤酒的产量和品质。
提示：辩证地看待这一产品。
一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。
另一方面,这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
产物专一
生产条件温和
原料来源丰富且价格低廉
废弃物对环境污染小且容易处理
发酵工程的特点
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
发酵工程的应用
阅读教材24-27页回答以下问题：
1.发酵工程有哪些方面的应用？
2.在食品工业上的应用有哪些？
3.在医药工业上的应用有哪些？
4.在农牧业上的应用有哪些？
二、发酵工程的应用
1. 生产传统发酵产品
酱油
大豆
(主要原料)
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽
和氨基酸
淋洗、调制
(1)酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
(2)各种酒类的生产
在食品工业上的应用
二、发酵工程的应用
在食品工业上的应用
2. 生产各种各样的食品添加剂
增加食品的营养
改善食品的口味、色泽和品质
延长食品的保存期
食品添加剂的作用
二、发酵工程的应用
（1）在食品工业上的应用
③生产酶制剂
概念：
从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
来源：
少数由动植物生产
大多数通过发酵工程生产
应用：
用于食品的直接生产、
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量等方面。
产品：
α-淀粉酶、
β-淀粉酶、
果胶酶、
氨基酸肽酶
脂肪酶等。
17
二、发酵工程的应用
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
2. 在医药工业上的应用
改造菌种
02
工程菌
01
疫苗
03
二、发酵工程的应用
3. 在农牧业上的应用
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，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。
有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
生产微生物肥料
二、发酵工程的应用
② 生产微生物农药
微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害
{21E4AEA4-8DFA-4A89-87EB-49C32662AFE0}微生物或生产出的药物
防治对象
苏去金芽孢杆菌
80多种农林虫害
白僵菌
玉米螟、松毛虫等
一种放线菌生产抗生素—井冈霉素
水稻枯纹病
生物防治
二、发酵工程的应用
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。
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。
微生物含有丰富的蛋白质，而且生长繁殖速度快。
能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
应用——食品添加剂、微生物饲料
二、发酵工程的应用
③ 生产微生物饲料
4. 其他方面上的应用
解决资源短缺和环境污染问题
对极端微生物的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品产量
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质
二、发酵工程的应用
①
②
(2023·山东卷)我国是名副其实的发酵大国，发酵工程在食品工业、医药工业及农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列相关叙述错误的是（ ）
A. 发酵工程的产品包括微生物的代谢产物、酶和菌体本身
B. 利用酵母菌等菌种的发酵工程生产的单细胞蛋白，可作为食品添加剂
C. 将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵可生产乙型肝炎疫苗
D. 利用发酵工程生产的微生物农药，作为化学防治的重要手段，可用于防治病虫害
习题巩固
D
本节课堂小结
本章总结
1.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。判断下列相关表述是否正确。
(1)发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵（ ）
(2)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身。（ ）
(3)在发酵工程的发酵环节中,发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖,也会影响微生物的代谢途径。（ ）
(4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ）
×
√
√
×
练习与应用
一、概念检测
发酵工程
特点：
①菌种纯、产量大、质量稳定；
②大规模生产、高度自动化控制
传统发酵技术
①混合菌种
②固体发酵、半固体发酵
③家庭式、作坊式制作
二、拓展应用
1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。
(1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力)
可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。
练习与应用
(2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？
可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。
2、通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。
存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。
练习与应用

展开更多......

收起↑