1.3發(fā)酵工程及其應(yīng)用課件-高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修32

第1章

發(fā)酵工程第3節(jié)

發(fā)酵工程及應(yīng)用1微生物的選擇培養(yǎng)和計(jì)數(shù)微生物的選擇培養(yǎng)選擇培養(yǎng)基間接計(jì)數(shù)法—稀釋涂布平板法直接計(jì)數(shù)—計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)法微生物的數(shù)量測(cè)定土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離與計(jì)數(shù)溫故知新2從社會(huì)中來(lái)問(wèn)題：在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？發(fā)酵工程。即利用微生物的特定的功能，通過(guò)現(xiàn)代工程技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)對(duì)人類有用的產(chǎn)品。青霉素是世界上第一個(gè)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，價(jià)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(wàn)單位青霉素注射劑的價(jià)格只要1元左右。

3一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.發(fā)酵工程：是指利用微生物的特定功能，通過(guò)現(xiàn)代工程技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)對(duì)人類有用的產(chǎn)品。選育菌種擴(kuò)大培養(yǎng)配置培養(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2.基本環(huán)節(jié)4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(huì)賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨(dú)特的風(fēng)味。某鎮(zhèn)特產(chǎn)一種美酒，以下是對(duì)該鎮(zhèn)環(huán)境的描述：四面環(huán)山，地勢(shì)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(duì)流循環(huán)較緩慢，所以微生物種群較穩(wěn)定。（1）選育菌種5工業(yè)發(fā)酵罐體積幾十~幾百m3幾~幾十m3接入的菌種總體積（2）擴(kuò)大培養(yǎng)①目的：獲得更多的菌種。②原因：工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般較大，因此，需要接入的菌種總體積大（數(shù)目多）。③擴(kuò)大培養(yǎng)的培養(yǎng)基：一般為液體培養(yǎng)基。6思考：怎樣對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)？將培養(yǎng)到生長(zhǎng)速度最快時(shí)期的菌體分開(kāi)，再進(jìn)行培養(yǎng)。思考：擴(kuò)大培養(yǎng)所用的培養(yǎng)基，從性質(zhì)上分類，是什么類型的培養(yǎng)基？液體培養(yǎng)基?？梢允刮⑸锱c營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率，有利于微生物的繁殖。7①在菌種確定之后，（結(jié)合菌種代謝特點(diǎn)）選擇原料制備培養(yǎng)基；②在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定（即不斷優(yōu)化培養(yǎng)基）。（3）配制培養(yǎng)基8①滅菌原因：發(fā)酵工程種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。②滅菌目的：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(guò)嚴(yán)格的滅菌。（4）滅菌9（5）接種：將擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種投放到發(fā)酵罐中。無(wú)菌10②嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因：環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，而且影響微生物代謝物的形成。（6）發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)例如：谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)：在中性和弱堿性條件下會(huì)積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。11計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制溫度、pH、溶解氧、灌壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度檢測(cè)及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分使發(fā)酵過(guò)程處于最佳狀態(tài)微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝物的形成影響12培養(yǎng)物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入口觀察孔取樣管電動(dòng)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溫度傳感器和控制裝置冷卻水進(jìn)入口閥門(mén)放料管抽取樣本進(jìn)行檢測(cè)調(diào)節(jié)罐溫（放氣）調(diào)節(jié)罐壓使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快O2的溶解以及散熱控制溶解氧13下列關(guān)于發(fā)酵工程的操作流程的敘述，錯(cuò)誤的是

A．發(fā)酵所需的菌種需要進(jìn)行篩選或育種獲得B．菌種在接種之前要進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)C．發(fā)酵所用的培養(yǎng)基要進(jìn)行滅菌，發(fā)酵設(shè)備不需要嚴(yán)格滅菌D．若產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施獲得【答案】C14【解析】發(fā)酵工程所需菌種必須是性狀優(yōu)良的菌種，可以從自然界中篩選，也可以通過(guò)誘變育種或基因工程育種獲得，才能獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品，A正確；發(fā)酵工程所用的發(fā)酵罐較大，為提高發(fā)酵效率，發(fā)酵之前需要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，B正確；發(fā)酵工程是在無(wú)菌條件下進(jìn)行操作的，所以所用的培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌，否則很可能會(huì)造成培養(yǎng)基的污染，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，C錯(cuò)誤；要根據(jù)所獲得的發(fā)酵產(chǎn)品的類型分離、提純產(chǎn)物，若發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施來(lái)獲得產(chǎn)品。15菌體本身代謝產(chǎn)物根據(jù)其性質(zhì)采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進(jìn)行分離、提純采用過(guò)濾、沉淀等方式進(jìn)行分離、提純（7）產(chǎn)品的分離、提純16（8）獲得產(chǎn)品17討論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(zhǎng)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。討論2：怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要？要對(duì)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(zhǎng)繁殖，同時(shí)及時(shí)添加必要的營(yíng)養(yǎng)組分。思考·討論

發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析18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(jìn)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(shí)候不會(huì)再對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純處理，或者僅采用簡(jiǎn)單的沉淀、過(guò)濾等方法來(lái)分離和提純產(chǎn)物。

發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。發(fā)酵工程產(chǎn)物無(wú)論是代謝物還是菌體本身，都需要進(jìn)行質(zhì)量檢査，合格后才能成為正式產(chǎn)品。19討論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。因?yàn)樵谶M(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，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(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對(duì)排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或滅菌處理。20（一）優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)物專一生產(chǎn)條件溫和原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉廢棄物對(duì)環(huán)境污染小且容易處理（二）運(yùn)用：醫(yī)藥其他食品農(nóng)牧二、發(fā)酵工程的應(yīng)用211.在食品工業(yè)上的應(yīng)用：(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品實(shí)例1:醬油的生產(chǎn)小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉(蛋白酶)淋洗、調(diào)制實(shí)例2:各種酒類的生產(chǎn)各種酒類釀酒酵母22啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程P24思考.討論發(fā)芽12焙烤3碾磨4糖化蒸煮56發(fā)酵7消毒8終止主發(fā)酵后發(fā)酵酵母菌繁殖，大部分糖分解和代謝物生成。在低溫、密閉的環(huán)境下儲(chǔ)存一段時(shí)間，形成澄清、成熟的啤酒。23討論1：利用酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵過(guò)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。討論2：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(huì)使啤酒變酸，你知道這是發(fā)生了什么變化嗎？醋酸菌是一種好氧菌，若發(fā)酵罐密封不嚴(yán)，酒精就會(huì)在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)榇姿帷?4討論3：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(guò)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(duì)原材料的處理、發(fā)酵過(guò)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)。25討論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(jìn)行過(guò)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(gè)問(wèn)題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低和價(jià)格高，卻依然有著市場(chǎng)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(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(diǎn)，能夠滿足一些人對(duì)獨(dú)特口感的需求，或者滿足一些人的時(shí)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(jià)格昂貴的問(wèn)題。26類別“精釀”啤酒“工業(yè)”啤酒原料是否添加食品添加劑麥芽汁濃度發(fā)酵時(shí)間特點(diǎn)只使用麥芽、啤酒花、酵母菌和水麥芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等不添加添加

較高，口味濃郁較低，口味清淡長(zhǎng)，可達(dá)2個(gè)月短，通常7天左右產(chǎn)量低、價(jià)格高產(chǎn)量高、價(jià)格低271．關(guān)于啤酒生產(chǎn)的流程說(shuō)法錯(cuò)誤的是()

A．讓大麥種子發(fā)芽的目的是釋放淀粉酶

B．焙烤發(fā)芽的大麥種子時(shí)，淀粉酶喪失活性

C．糖化的目的是讓淀粉分解

D．蒸煮時(shí)終止了酶的作用，并對(duì)糖漿進(jìn)行滅菌282.啤酒是發(fā)酵工程的主要產(chǎn)品，關(guān)于啤酒發(fā)酵的說(shuō)法錯(cuò)誤的是()

A．啤酒是以大麥為主要原料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的

B．酵母菌的大量繁殖在啤酒發(fā)酵主發(fā)酵階段

C．啤酒生產(chǎn)的主發(fā)酵階段酵母菌主要進(jìn)行有氧呼吸

D．啤酒生產(chǎn)的后發(fā)酵階段是在低溫度和密閉環(huán)境下進(jìn)行的29①利用黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸；②利用谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸，經(jīng)處理制成味精。(2)生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用：添加劑的類型舉例酸度調(diào)節(jié)劑L-蘋(píng)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30(3)生產(chǎn)酶制劑種類作用食品直接生產(chǎn)改進(jìn)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程改善產(chǎn)品的品質(zhì)延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期提高產(chǎn)品產(chǎn)量α-淀粉酶β-淀粉酶果膠酶脂肪酶氨基肽酶1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用：31發(fā)酵工程生產(chǎn)的藥物動(dòng)植物的基因微生物直接改造微生物轉(zhuǎn)入微生物病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入發(fā)酵工程藥物藥物疫苗各種抗生素多種氨基酸多種激素多種免疫調(diào)節(jié)劑2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用：基因工程、蛋白質(zhì)工程與發(fā)酵工程相結(jié)合32改造菌種02工程菌01疫苗03利用經(jīng)過(guò)基因改造的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)生長(zhǎng)激素釋放抑制激素未來(lái)可能用微生物來(lái)生產(chǎn)過(guò)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(guò)發(fā)酵生產(chǎn)疫苗2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用：33343.在農(nóng)牧工業(yè)上的應(yīng)用：根瘤菌肥、固氮菌肥2.生產(chǎn)微生物農(nóng)藥例子：利用蘇云金桿菌防治多種農(nóng)林蟲(chóng)害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲(chóng)，屬于生物防治

3.生產(chǎn)微生物飼料1.生產(chǎn)微生物肥料微生物菌體，即單細(xì)胞蛋白。35微生物農(nóng)藥防治和化學(xué)農(nóng)藥防治的比較項(xiàng)目微生物農(nóng)藥防治化學(xué)農(nóng)藥防治防治機(jī)理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)利用微生物或代謝物進(jìn)行防治成本低、無(wú)污染，可以維持生態(tài)平衡防治速度慢利用化學(xué)藥劑（如殺蟲(chóng)劑、殺鼠劑）等進(jìn)行防治見(jiàn)效快，操作簡(jiǎn)單成本高，污染環(huán)境，不利于維持生態(tài)平衡36還需要鐵、鋅等微量元素37解決資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題對(duì)極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環(huán)境）的利用

(1)(2)4.在其他方面的應(yīng)用：利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產(chǎn)洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量38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(yīng)用生產(chǎn)酶制劑采用基因工程的方法，將植物或動(dòng)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(duì)菌種進(jìn)行改造，再通過(guò)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(wèn)題將極端微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐3940鞏固1．在發(fā)酵過(guò)程中，不會(huì)直接引起發(fā)酵液pH變化的是A．營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗B．微生物細(xì)胞數(shù)目的增多C．微生物呼吸作用釋放的CO2D．代謝物的積累【答案】B【解析】在發(fā)酵過(guò)程中，能引起pH變化的因素有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗、微生物呼吸作用釋放的CO2和代謝物的積累，A、C、D不符合題意；微生物細(xì)胞數(shù)目的變化不會(huì)引起pH的變化，B符合題意。412．在發(fā)酵過(guò)程中有關(guān)氧氣的利用，正確的是 (

)A．微生物可直接利用空氣中的氧氣B．微生物只能利用發(fā)酵液中的溶解氧C．溫度升高，發(fā)酵液中溶解氧增多D．機(jī)械攪拌與溶解氧濃度無(wú)關(guān)【答案】B42【解析】發(fā)酵工程中嚴(yán)格無(wú)菌操作，空氣中的氧氣中有微生物，會(huì)造成雜菌污染，只能利用發(fā)酵液中經(jīng)過(guò)滅菌的無(wú)菌氧氣，A錯(cuò)