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1、第三节发酵工程及其应用第第1 1章章发酵工程发酵工程人教版高中生物 选择性必修3 学习目标1.通过分析现代工业发酵的原理、它与传统发酵技术的区别及其用到的现代化的工程技术，建构发酵工程的概念，概述发酵工程的基本环节。2.发展工程思维，认同发酵工程为人类提供了多样的生物产品。情境视频情境视频发酵工程发酵工程发酵工程的基本环节发酵工程的基本环节一发酵工程的应用发酵工程的应用二目录一 发酵工程的基本环节发酵工程的基本环节一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利用微生物的特定
2、功能，通过现代化工程技术，生产对人类有用的物质的技术体系。发酵工程一 发酵工程的基本环节发酵工程的基本环节一生产柠檬酸生产柠檬酸生产啤酒生产啤酒生产味精生产味精黑曲霉黑曲霉啤酒酵母啤酒酵母谷氨酸谷氨酸棒状杆菌棒状杆菌接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌现代发酵工程使用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、罐压、通 气 量、搅 拌、泡 沫 和 等进行监测和控制；还可以进行控制，使发酵全过程处于最佳状态。发酵罐内发酵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
3、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。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。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。生产生产青霉素青霉素黄青霉黄青霉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。一 发酵工程的基本环节发酵工程的基本环节一接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵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、罐压、通气量、搅拌、泡沫和等进行监测和控制；还可以进行控制，使发酵全过程
4、处于最佳状态。分离、提纯产物获得产品 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、等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的 ，要严格控制温度、pH和 _ 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。产物浓度营养组分溶解氧如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用、沉淀等方法将菌体分离和，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的采取适当的提取、分离和措施来获得产品。溶解氧营养反馈过滤干燥性质纯化电动机排气管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
5、控制装置冷却水进入口一边阅读，一边完成学案上的表格 某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示?我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。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，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。一 发酵工程的基本环节发酵工程的基本环节一发酵工程基本环节分析及应用任务1.微生物菌种资源丰富，选择发酵
6、工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件易控制；菌种不易变异，退化等。发酵工程基本环节分析及应用任务2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？反复试验确定培养基的配方；对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；及时添加必需的营养组分；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，以及反馈控制要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。发酵工程基本环节分析及应用任务3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传
7、统发酵技术相比有哪些改进之处？n传统发酵技术获得的产物一般不是单一组分，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。n在发酵工程中，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、沉淀等方法将菌体从发酵液中分离出来。如果产品是代谢物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。发酵工程基本环节分析及应用任务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？不能直接排放到外界环境中；因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。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。发酵工程的基本
8、环节发酵工程的基本环节一发酵工程的应用发酵工程的应用二目录一 发酵工程的应用发酵工程的应用二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利用黑曲霉生产柠檬酸谷氨酸棒状杆菌生产味精利用黑曲霉生产酱油利用酵母菌生产酒类淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等一 发酵工程的应用发酵工程的应用二传统的发酵产品明显提高产品的产量和质量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
9、高产品产量等方面(一)在食品工业上的应用酶制剂一 发酵工程的应用发酵工程的应用二啤酒的工业化生产流程产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌一 发酵工程的应用发酵工程的应用二加啤酒花完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。在低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。讨论1：酵母菌酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。啤酒的工业化生产流程主发酵发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止后发酵冷却过滤接种加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活产生风味组分，终止酶的作用对糖浆灭菌一 发酵工程的应用发酵工程的应
10、用二加啤酒花完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。在低温、密闭的环境下储存一段时间,形成澄清、成熟的啤酒。讨论2：发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，这是发生了什么变化吗？酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。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消毒终止后发酵冷却过滤接种加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活一 发酵工程的应用发酵工程的应用二人们可以采用基因工程等的方法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。改造菌种人们可以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;工程菌科学家还利用基因工程，将病原体的
11、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疫苗利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素未来可能用微生物来生产过去只能从植物中提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产疫苗(二)医药工业上的应用一 发酵工程的应用发酵工程的应用二微生物饲料微生物农药微生物肥料根瘤菌肥固氮菌肥等苏云金杆菌等单细胞蛋白等增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，抑制土壤中病原微生物的生长生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。(三)在农牧业上的应用一
12、发酵工程的应用发酵工程的应用二解决资源短缺和环境污染问题对极端微生物的利用(四)在其他方面的应用一 发酵工程的应用发酵工程的应用二提示：在农业生产中，可以利用农作物废弃物生产食用菌，利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料；在植物保护方面,应用微生物产生的抗生素来生产生物农药，治理病虫害等。1.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。提示：利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾，利用发酵工程使烟气脱硫，还可以利用微生物工程除臭等。2.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。思考SZ-LWH核心归纳发酵工程传统发酵技术不同点菌种通过微生物技术筛选或其它技术生产的优良菌种，大多是菌种原材料中天然存在的菌种
13、发酵方式 发酵为主固体发酵或_发酵为主对发酵条件的控制严格_操作，防止杂菌污染。通过技术对发酵条件精确地控制，使发酵条件处于最佳状态。不是无菌操作，容易受到染。对发酵条件不能严格控制，易受影响。生产规模和产品生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本_，产物_，产量_。通常是或作坊式的，产量低。生产往往受和原料限制。产品风味品种比较_，质量。相同点都是利用了_的作用联系发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的纯培养单一混合液体半固体无菌现代工程杂菌外界条件低多样高家庭式季节单一不稳定微生物判断正误(1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯()发酵罐内发酵是发酵工
14、程的中心环节。(2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N乙酰谷氨酰胺()(3)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率()发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。判断正误(4)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理()发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，且废弃物对环境污染小，容易处理。(5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌()生产柠檬酸需要筛选产酸量高的黑曲霉，而不是乳酸菌。跟踪训练跟踪训练1.(2023安徽安庆高二期末)发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，下列说法不正确的是A.为诱变育种，为萃
15、取(或蒸馏或离子交换等)B.赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续培养的发酵方式C.由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量D.人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件跟踪训练跟踪训练人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物的遗传特性、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等，D错误。跟踪训练跟踪训练2.(2023河南濮阳高二期中)下列有关发酵工程的叙述，正确的是A.与传统发酵技术不同，发酵工程可以利用微生物来进行发酵B.利用谷氨酸棒状杆菌发酵产谷氨酸时需在中性或弱碱性条件下C.利用微生物农药是一种很重要的化学防治手段D.培养基或发酵设备消毒后方可进行接种发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵，A错误；微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的，是一种很重要的生物防治手段，C错误。发发酵酵工工程程基本环节应用配制培养基灭菌接种选育高产菌种扩大培养发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品食品工业医药工业生产传统发酵食品农牧业其他方面生产食品添加剂生产酶制剂微生物肥料微生物农药微生物饲料解决资源短缺与环境污染问题极端微生物利用生产酶氨基酸激素免疫调节剂课堂小结课堂小结本堂课你学到了哪些知识？画出概念图进行总结