發(fā)酵工程及其應用 【新教材 備課精講精研】 高二生物高效課件（人教版2019選擇性必修3）

學習目標核心素養(yǎng)1.闡明發(fā)酵工程利用現(xiàn)代工程技術(shù)及微生物的特定功能，工業(yè)化生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品。2．舉例說明發(fā)酵工程在醫(yī)藥、食品及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有重要的應用價值。1.科學探究：根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)品和利用微生物的不同討論發(fā)酵工程中的發(fā)酵條件及控制方法。2．社會責任：認可發(fā)酵工程在生產(chǎn)上的重要應用價值。第1章發(fā)酵工程第3節(jié)發(fā)酵工程及其應用從社會中來青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學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)的呢？2022/12/29選育高產(chǎn)菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.選育菌種（1）目的：獲得_______________________性狀優(yōu)良的菌種（2）菌種來源：從自然界中篩選、________或____________________。誘變育種基因工程育種（3）實例：篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉用來生產(chǎn)檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵、縮短生產(chǎn)周期；思考討論：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，具有獨特的微生物種群，因為與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？

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。2.擴大培養(yǎng)（1）目的：獲得___________更多的菌種（2）原因：

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行擴大培養(yǎng)。3.配制培養(yǎng)基：①在菌種確定之后，要_________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。4.滅菌：選擇原料反復試驗（1）滅菌原因：發(fā)酵工程種所用的菌種大多是________，一旦有雜菌污染，可能導致_____________。單一菌種產(chǎn)量大大降低（2）_____________都必須經(jīng)過嚴格的滅菌；培養(yǎng)基和發(fā)酵設備5.接種：將_____________的菌種投放到______中發(fā)酵罐擴大培養(yǎng)后6.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵—發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)（1）要求：①發(fā)酵過程中，要________培養(yǎng)液中___________、________等，以____________；②要及時添加_______________，要嚴格控制_____、____和______等發(fā)酵條件；隨時檢測微生物數(shù)量產(chǎn)物濃度了解發(fā)酵進程必需的營養(yǎng)物質(zhì)溫度pH溶氧量（2）嚴格控制發(fā)酵條件的原因：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)（3）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；中性弱堿性酸性電動機排氣管pH計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入口（4）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)7.分離、提純產(chǎn)物方法：①發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細胞本身時，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用_____、_____等方法將菌體_____和_____；②發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物時，可______________采取____的_____、_____和_____措施來獲得產(chǎn)品；過濾沉淀分離干燥根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)適當提取分離純化8.獲得產(chǎn)品：啤酒味精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？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。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反復試驗確定培養(yǎng)基的配方；②對培養(yǎng)基和發(fā)酵設備進行嚴格的滅菌；③隨時檢測培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產(chǎn)物濃度等；④及時添加必需的營養(yǎng)組分；⑤嚴格控制溫度、pH和溶氧量等發(fā)酵條件，使用計算機控制系統(tǒng)對各種條件進行監(jiān)測和控制，以及反饋控制【思考討論】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。

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、吸附或離子交換等方法；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)，應該對排出的氣體和廢氣培養(yǎng)液進行二次清潔或滅菌處理?！镜淅堪l(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。下列關(guān)于發(fā)酵工程的認識錯誤的是(

) A.發(fā)酵工程具有條件溫和、產(chǎn)物單一、污染小的特點 B.發(fā)酵工程的產(chǎn)品包括微生物的代謝產(chǎn)物和菌體本身 C.通常所指的發(fā)酵條件包括溫度、溶解氧和pH等 D.發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)最大的區(qū)別是前者可以用微生物進行發(fā)酵

解析：傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)和發(fā)酵工程都是利用各種微生物的代謝來實現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)的，D錯誤。D【檢測】某高

校采用如圖所示的發(fā)酵罐進行葡萄酒發(fā)酵過程的研究。下列敘述正確的是(

) A.為加快發(fā)酵速度，應使發(fā)酵液保持35℃的恒溫 B.給發(fā)酵罐適時排氣，后期可縮短排氣間隔時間 C.可以通過監(jiān)測發(fā)酵過程中殘余糖的濃度來決定何時終止發(fā)酵 D.若定期對培養(yǎng)液中酵母菌進行計數(shù)，只能采用稀釋涂布平板法C二、發(fā)酵工程的應用（一）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)域得到了廣泛的應用，形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。1.在食品工業(yè)上的應用（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵食品實例1—生產(chǎn)醬油大豆黑曲霉蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸淋洗、調(diào)制醬油實例2—釀酒谷物或水果釀酒酵母酒類（二）發(fā)酵工程的應用

啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程一.發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)啤酒的工業(yè)化流程完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間進行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵主發(fā)酵冷卻消毒終止后發(fā)酵過濾1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(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，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。2.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)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？

應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。

增加食物的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長食品的保存期（2）生產(chǎn)食品添加劑①食品添加劑的作用：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——味精由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸；谷氨酸經(jīng)過一系列處理就能制成味精；④常見的食品添加劑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（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②酶制劑應用

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)；2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應用（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)能力的微生物實例：①利用經(jīng)過基因改造的微生物生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素；②利用基因工程改造的微生物生產(chǎn)疫苗。將病原體的某個或某幾個抗原基因轉(zhuǎn)入適當?shù)奈⑸锛毎?，獲得的表達產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。如某種乙肝疫苗的生產(chǎn)。（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)品實例：青霉素高產(chǎn)菌株的培育③利用微生物生產(chǎn)過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物；3.在農(nóng)牧業(yè)上的應用（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：Ⅰ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；Ⅱ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.（2）生產(chǎn)微生物農(nóng)藥①微生物農(nóng)藥的作用機理：利用微生物或其代謝物來防治病蟲害②實例：蘇云金桿菌防治80多種農(nóng)林蟲害。白僵菌防治玉米螟、松毛蟲等蟲害。井岡霉素（一種放線菌產(chǎn)生的抗生素）防治水稻枯紋病。③防治類型：生物防治（3）生產(chǎn)微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，且繁殖速度快②實例1——單細胞蛋白

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，即單細胞蛋白；單細胞蛋白應用：單細胞蛋白生產(chǎn)過程：食品添加劑、微生物飼料；單細胞蛋白成分：不僅含有豐富的蛋白質(zhì)，還含有糖類、脂質(zhì)和維生素等物質(zhì)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。4.在其他方面的應用（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。①極端微生物：②舉例：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。【典例】發(fā)酵工程廣泛應用于多個行業(yè)，下列有關(guān)敘述錯誤的是(

) A.黑曲霉可作為釀制醬油、生產(chǎn)檸檬酸的菌種 B.啤酒釀制終止后，可得到啤酒、單細胞蛋白等產(chǎn)品 C.用纖維廢料發(fā)酵得到酒精，可減少環(huán)境污染、減緩能源短缺問題 D.用液體培養(yǎng)基可大規(guī)模生產(chǎn)新冠病毒減毒疫苗D【檢測】下列有關(guān)發(fā)酵工程應用的敘述，正確的是(

)A.發(fā)酵完成后分離出的菌體均可作為動物飼料B.發(fā)酵工程不能用于傳統(tǒng)發(fā)酵食品的生產(chǎn)C.利用基因工程選育的菌種可用于酶制劑、疫苗、激素等的生產(chǎn)D.將發(fā)酵液中的微生物分離出來就是微生物肥料，可大大增進土壤肥力解析：有些微生物的菌體含有激素、抗生素等，不適合作為動物飼料，A錯誤；利用發(fā)酵工程能生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品，B錯誤；微生物肥料是指微生物代謝產(chǎn)生的有機酸、生物活性物質(zhì)等，D錯誤。C食品工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵食品農(nóng)牧業(yè)其他方面生產(chǎn)食品添加劑發(fā)酵工程應用生產(chǎn)酶制劑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。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。生產(chǎn)微生物肥料生產(chǎn)微生物農(nóng)藥生產(chǎn)微生物飼料解決資源短缺與環(huán)境污染問題將極端微生物應用于生產(chǎn)實踐【課堂小結(jié)】(1)生產(chǎn)檸檬酸需要篩選產(chǎn)酸量高的乳酸菌()(2)谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)需在強堿性條件下進行(

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

)××√×【基礎過關(guān)】(5)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。()(6)目前的酶制劑全部是微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。(

)(7)現(xiàn)在已經(jīng)可以通過微生物生產(chǎn)紫杉醇。(

)(8)單細胞蛋白指通過發(fā)酵而獲得的微生物菌體。()×××√1.細菌放在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)，它會繁殖并形成菌落(如圖)。某實驗小組想檢驗兩種抗生素的殺菌