【公開課】發(fā)酵工程及其應用課件高二下學期生物人教版選擇性必修3

第1章發(fā)酵工程第3節(jié)

發(fā)酵工程及其應用1

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，價格貴如金。隨著高產菌種的選育、發(fā)酵技術的發(fā)展等，青霉素步入了產業(yè)化生產的道路。如今，1瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。

在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產的呢？

從社會中來選育高產菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內發(fā)酵分離、提純產物獲得產品23對發(fā)酵原理的認識微生物純培養(yǎng)技術建立密閉式發(fā)酵罐成功設計嚴格控制環(huán)境條件（溫度、pH、溶解氧、壓強、營養(yǎng)物、泡沫等）大規(guī)模生產發(fā)酵產品微生物的特定功能現(xiàn)代化工程技術發(fā)酵工程是指利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代工程技術，規(guī)?；a對人類有用的產品。它涉及菌種的選育和培養(yǎng)、產物的分離和提純等方面。在青霉素生產過程中如果有雜菌污染，某些雜菌會分泌青霉素酶，將青霉素分解掉。生產檸檬酸生產啤酒生產味精黑曲霉啤酒酵母谷氨酸棒狀桿菌在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。在生產實踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過反復試驗才能確定。接種選育菌種制備培養(yǎng)基擴大培養(yǎng)滅菌發(fā)酵罐內發(fā)酵分離、提純產物獲得產品性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。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)發(fā)酵工程中所用的菌種大多數(shù)是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設備都必須經(jīng)過嚴格的滅菌?，F(xiàn)代發(fā)酵工程使用的大型發(fā)酵罐均有計算機控制系統(tǒng)，能對發(fā)酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養(yǎng)等進行監(jiān)測和控制；還可以進行反饋控制，使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)。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

這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過程中，要隨時檢測培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產物的濃度等，以了解發(fā)酵進程。還要及時添加必需的營養(yǎng)組分，要嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。

環(huán)境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成。如果發(fā)酵產品是微生物細胞本身，可在發(fā)酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產品。如果產品是代謝物，可根據(jù)產物的性質采取適當?shù)奶崛?、分離和純化措施來獲得產品。

一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)51.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？2.怎樣對發(fā)酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？思考·討論：發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖；②生產所需代謝物的產量高；③發(fā)酵條件易控制；④菌種不易變異，退化等。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。63.在產物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比有哪些改進之處？4.在進行發(fā)酵生產時，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？思考·討論：發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析傳統(tǒng)發(fā)酵技術很多時候不會再對產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。不能。因為在進行發(fā)酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質。要進行二次清潔或滅菌處理后才能排放。在發(fā)酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多：沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換、液相層析法、結晶法等。7右圖是發(fā)酵工程常用的發(fā)酵罐的結構示意圖，請據(jù)圖回答下列問題。（1）在發(fā)酵前，需用

法對整個發(fā)酵罐進行滅菌，為保證該過程的實施，整個發(fā)酵罐必須是

的。（2）在發(fā)酵過程中，電動機不停帶動攪拌葉輪轉動，這樣做的目的是

。（3）冷卻水是為了帶走微生物進行

產生的熱量，以維持發(fā)酵液溫度的穩(wěn)定，若溫度過高，會影響微生物

，導致不能產生相應代謝產物，甚至死亡。高壓蒸汽滅菌密封

增加溶解氧，讓微生物與營養(yǎng)物質充分接觸，以保證微生物的營養(yǎng)供應細胞呼吸

酶的活性

現(xiàn)學現(xiàn)用8生產條件溫和原料來源豐富且價格低廉產物專一廢棄物對環(huán)境的污染小和容易處理發(fā)酵工程的特點

二、發(fā)酵工程的應用

二、發(fā)酵工程的應用——1.在食品工業(yè)上的應用9①生產傳統(tǒng)的發(fā)酵產品醬油大豆（主要原料）黑曲霉（蛋白酶）小分子肽和氨基酸淋洗、調制a.醬油的生產谷物或水果釀酒酵母各種酒類b.各種酒類的生產微生物最早開發(fā)和應用的領域；產量和產值都居于發(fā)酵工業(yè)的首位。發(fā)芽12焙烤3碾磨4糖化大麥水糖化罐大麥種子發(fā)芽，釋放淀粉酶。加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活。將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉。淀粉水解形成糖漿。淀粉→麥芽糖→葡萄糖思考·討論：啤酒的工業(yè)化流程蒸煮56發(fā)酵7消毒8終止產生風味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌。酵母菌將糖轉化為酒精和CO2殺死啤酒中的大多數(shù)微生物，延長它的保存期。過濾、調節(jié)、分裝啤酒進行出售。糖漿啤酒花過濾冷卻裝瓶裝罐儲存罐接種思考·討論：啤酒的工業(yè)化流程12思考·討論：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在低溫、密閉的環(huán)境下，儲存一段時間1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，啤酒的發(fā)酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？菌種的選育、對原材料的處理、發(fā)酵過程的控制、產品的消毒等。發(fā)芽

焙烤

碾磨

糖化

蒸煮

發(fā)酵

消毒

終止主發(fā)酵后發(fā)酵132.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)模釀造產品，發(fā)酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何辯證地看待大規(guī)模生產與小規(guī)模制作？應該辯證地看待這一產品。一方面：這類產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。另一方面：這類產品是手工作坊式生產的，存在啤酒品質不穩(wěn)定，價格昂貴的問題。思考·討論：啤酒的工業(yè)化流程14

現(xiàn)學現(xiàn)用我國是世界上啤酒的生產和消費大國。啤酒是以大麥為主要原料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的，其工業(yè)化生產流程如下圖所示。（1）發(fā)酵工程一般包括菌種的選育、_________、培養(yǎng)基的配制、滅菌、接種、發(fā)酵、產品的分離、提純等方面。啤酒酵母的新陳代謝類型是_________________。（2）在釀酒過程中常加入_________（填某種植物激素）以縮短大麥發(fā)芽的時間，從而減少有機物的消耗。焙烤階段應注意控制溫度，不能使_________失活。擴大培養(yǎng)

異養(yǎng)兼性厭氧型赤霉素淀粉酶15

現(xiàn)學現(xiàn)用（3）發(fā)酵階段的底物是_________，發(fā)酵液和發(fā)酵設備都必須經(jīng)過嚴格的_________處理。（4）請寫出一條啤酒的發(fā)酵生產過程中，可以使啤酒的產量和質量得到明顯提高的工程手段：（5）請寫出一條發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和農牧業(yè)等領域得到廣泛應用的原因：葡萄糖滅菌

隨時檢測培養(yǎng)液中的酵母菌數(shù)量、產物濃度；及時添加必需的營養(yǎng)組分；嚴格控制發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、pH、溶解氧含量、罐壓和攪拌速率等發(fā)酵條件

生產條件溫和；原料來源豐富且價格低廉；產物專一；廢棄物對環(huán)境污染小、易處理16添加劑類型舉例酸度調節(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、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌、溶菌酶添加了檸檬酸的飲料增加食品的營養(yǎng)改善食品的口味、色澤和品質延長食品的保存期食品添加劑的作用

二、發(fā)酵工程的應用——1.在食品工業(yè)上的應用②生產各種各樣的食品添加劑17

二、發(fā)酵工程的應用——1.在食品工業(yè)上的應用③生產酶制劑食品的直接生產改進生產工藝簡化生產過程改善產品的品質和口味延長食品儲存期提高產品產量b.酶制劑的作用α-淀粉酶β-淀粉酶果膠酶氨基肽酶脂肪酶…

…a.酶制劑的種類18

二、發(fā)酵工程的應用——2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應用基因工程、蛋白質工程與發(fā)酵工程相結合動植物的基因微生物直接改造微生物轉入微生物病原體的抗原基因轉入發(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節(jié)劑發(fā)酵工程生產的藥物19

二、發(fā)酵工程的應用——3.在農牧業(yè)上的應用①生產微生物肥料

利用了微生物在代謝過程中產生的

、

等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長；有的還可以抑制土壤中病原微生物的生長，減少病蟲害的發(fā)生。有機酸生物活性物質利用根瘤菌和固氮菌生產的根瘤菌肥、固氮菌肥20

二、發(fā)酵工程的應用——3.在農牧業(yè)上的應用②生產微生物農藥

微生物農藥是利用

或

來防治病蟲害的。

微生物農藥作為

的重要手段。微生物其代謝物生物防治微生物或代謝產物防治病蟲害種類蘇云金桿菌80多種農林害蟲白僵菌玉米螟、松毛蟲一種放線菌產生的抗生素（井岡霉素）水稻枯紋病21

二、發(fā)酵工程的應用——3.在農牧業(yè)上的應用③生產微生物飼料

微生物含有豐富的

。蛋白質

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

，即單細胞蛋白，用單細胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高。微生物菌體22

二、發(fā)酵工程的應用——4.在其他方面的應用利用纖維廢料發(fā)酵生產酒精、乙烯等能源物質②對極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）的利用利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產洗滌劑嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量①解決資源短缺與環(huán)境污染問題

發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農業(yè)領域，在助力解決

、

、

和

等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。糧食環(huán)境能源健康一、概念檢測

與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比，發(fā)酵工程的產品種類更加豐富，產量和質量明顯提高。判斷下列相關表述是否正確。1.發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術最大的區(qū)別就是前者可以利用微生物來進行發(fā)酵。（）2.發(fā)酵工程的產品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。（）3.在發(fā)酵工程的發(fā)酵環(huán)節(jié)中，發(fā)酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物的代謝途徑。（）4.通過發(fā)酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。（）××√√231.在青霉素的發(fā)酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發(fā)揮想象力，提出解決這些問題的思路。（1）青霉素發(fā)酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發(fā)酵過程中給微生物持續(xù)高效地供氧呢？（提示：血紅蛋口具有攜帶O2的能力）（2）在發(fā)酵過程中，總有頭孢霉素產生。人們通過對青霉素生產菌代謝途徑的研究發(fā)現(xiàn)，在青霉素與頭孢霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經(jīng)過兩種不同酶的作用分別合成兩個產物。如何改造青霉素生產菌使其只生產青霉素，或者只生產頭孢霉素呢？

可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉入青霉素生產菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。

可以對兩種酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產菌只生產一種產物。242.通過微生物發(fā)酵，可以將糧食（如玉米、小麥等）及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我國多地廣泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的環(huán)保性令人稱道。調査顯示，使用乙醇汽油與使用普通汽油相比，排放到空氣中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人認為燃料乙醇“可再生”；但也有人認為，生產燃料乙醇需要消耗大量糧食，會增加糧食短缺的風險。請你嘗試通過查閱資料，評估這一風險，并說明在生產時應如何規(guī)避這一風險。

在生產燃料乙醇時，為了規(guī)避這一風險，應該使用陳化糧食（如陳化的稻谷等）或者非糧食生物材料（如秸稈等）。使用陳化糧食來生產燃料乙醇，還有利于防止問題糧食流入市場。25

復習與提高1.某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養(yǎng)基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌（目的菌）。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析冋答問題。（1）在培養(yǎng)基中加入化合物A的目的是

，這種培養(yǎng)基屬于

培養(yǎng)基。（2）培養(yǎng)若干天后，應選擇培養(yǎng)瓶中化合物A含量

的培養(yǎng)液，接入新的培養(yǎng)液中連續(xù)培養(yǎng)，使目的菌的數(shù)量

。篩選出可以降解化合物A的微生物選擇顯著降低擴增261.（3）若要研究目的菌的生長規(guī)律，可挑取單個菌落進行液體培養(yǎng)，再采用

方法進行計數(shù)。請你預測目的菌的種群數(shù)量會發(fā)生怎樣的變化。（4）將目的菌用于環(huán)境保護實踐時，還有哪些問題需要解決？（5）有人提出，可以通過改造細菌的基因來獲得能夠降解化合物A的細菌，請分析這種方法是否可行。細菌計數(shù)板計數(shù)S形增長

目的菌能否在自然環(huán)境中大量生長繁殖；

是否會產生對環(huán)境有害的代謝物；

降解化合物A后是否會產生二次污染等問題。

可行。這是后面將要學習的基因工程的基本思路。272.某個高溫日，某校三位高中學生相約去吃冰激凌，之后兩人都出現(xiàn)腹瀉現(xiàn)象，于是他們懷疑冰激凌中的大腸桿菌含量超標。老師建議他們利用學過的有關微生物培養(yǎng)的知識對此冰激凌進行檢測。經(jīng)過一番資料查閱，他們提出了如下實驗設計思路。

立即去賣冰激凌的小店再買一個同樣品牌的同種冰激凌；配制伊紅—亞甲藍瓊脂培養(yǎng)基（該培養(yǎng)基可用來鑒別大腸桿菌，生長在此培養(yǎng)基上的大腸桿菌菌落呈深紫色，并有金屬光澤）、滅菌、倒平板；取10mL剛融化的冰激凌作為原液，然后進行梯度稀釋，稀釋倍數(shù)為1×10~1×105；取每個濃度的冰激凌液各0.1mL，用涂布平板法進行接種，每個濃度涂3個平板，一共培養(yǎng)18個平板；在適宜溫度下培養(yǎng)48h，統(tǒng)計菌落數(shù)目。

（1）請你從下面幾個角度對這三位同學的思路進行評議。282.（1）①他們只打算對一個冰激凌進行檢測，理由是：兩個人吃過冰激凌后，都拉肚子了，所以再檢測一個就足以說明問