1.3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34

第1章

發(fā)酵工程第3節(jié)

發(fā)酵工程及其應用微生物的選擇培養(yǎng)和計數(shù)微生物的選擇培養(yǎng)選擇培養(yǎng)基科學實例篩選原因、思路、啟示選擇培養(yǎng)基的原理、概念、類型、舉例選擇培養(yǎng)基的作用微生物選擇培養(yǎng)獲取純培養(yǎng)物的方法-稀釋涂布平板法稀釋涂布平板法的操作過程稀釋涂布平板法的注意事項間接計數(shù)法—稀釋涂布平板法直接計數(shù)—計數(shù)板計數(shù)法培養(yǎng)基的制備實驗設計分析與評價微生物的數(shù)量測定土壤中分解尿素的細菌的分離與計數(shù)（1）土壤取樣（2）樣品的稀釋（3）稀釋涂布平板法接種（4）微生物的培養(yǎng)與觀察溫故知新從社會中來

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。早期1瓶規(guī)格大概20萬單位的青霉素最高賣到一根金條如今1瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑一元那么，在工業(yè)上青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？微生物純培養(yǎng)技術的建立密閉式發(fā)酵罐的設計成功人們對發(fā)酵原理的認識發(fā)酵工程形成發(fā)酵工程的形成發(fā)酵工程：是指采用現(xiàn)代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術。

發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)是什么？在青霉素生產(chǎn)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(chǎn)檸檬酸生產(chǎn)啤酒生產(chǎn)青霉素生產(chǎn)味精黑曲霉啤酒酵母黃青霉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(chǎn)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(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)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(chǎn)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。現(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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質采取適當?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施來獲得產(chǎn)品。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)實例：谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)：在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺思考：擴大培養(yǎng)的目的是什么？怎樣對菌種進行擴大培養(yǎng)？增加菌種數(shù)量。將培養(yǎng)到生長速度最快時期的菌體分開，再進行培養(yǎng)。思考：擴大培養(yǎng)所用的培養(yǎng)基，從性質上分類，是什么類型的培養(yǎng)基？液體培養(yǎng)基?？梢允刮⑸锱c營養(yǎng)物質充分接觸，提高營養(yǎng)物質的利用率，有利于微生物的繁殖。思考·討論思考：引起發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液的溫度和pH變化的原因有哪些？

發(fā)酵工程中如何調節(jié)溫度和pH?溫度：原因：微生物分解有機物釋放的能量，機械攪拌也會引起溫度升高。

方法：常用冷卻水進行溫度的調節(jié)pH：原因：培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的利用和代謝產(chǎn)物的積累。

方法：是在培養(yǎng)基中添加緩沖液，在發(fā)酵過程中加酸或堿?電動機?排氣管⑦pH計?冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液?攪拌葉輪⑧生物傳感器裝置④空氣入口②放料管③閥門①培養(yǎng)物或營養(yǎng)物質的加入口⑤觀察孔⑥取樣管⑨溫度傳感器和控制裝置⑩冷卻水進入口裝置編號主要用途①②③控制培養(yǎng)物以一定速度進入、流出發(fā)酵罐，實現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)④控制溶解氧⑤⑥⑦⑧⑨通過肉眼觀察、儀器檢測等監(jiān)控發(fā)酵條件以及發(fā)酵過程，⑥處抽取樣品進一步檢測⑩?通過控制冷水流速調節(jié)罐溫?調節(jié)罐壓??電機帶動葉輪轉動進行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱發(fā)酵罐示意圖討論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)酵條件容易控制；④菌種不易變異、退化等。討論2：怎樣對發(fā)酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？要對溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進行嚴格控制，使其最適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必要的營養(yǎng)組分。思考·討論

發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析討論3：在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比有哪些改進之處？

傳統(tǒng)發(fā)酵技術獲得的產(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)物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢査，合格后才能成為正式產(chǎn)品。思考·討論

發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析討論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。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棄培養(yǎng)液進行二次清潔或滅菌處理。思考·討論

發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析產(chǎn)物專一生產(chǎn)條件溫和原料來源豐富且價格低廉廢棄物對環(huán)境污染小且容易處理發(fā)酵工程的特點在食品工業(yè)上的應用在醫(yī)藥工業(yè)上的應用在農(nóng)牧業(yè)上的應用在其他方面的應用發(fā)酵工程的應用二、發(fā)酵工程的應用大豆中蛋白小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉淋洗、調制各種谷物、水果釀酒酵母各種酒類（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品1.

在食品工業(yè)上的應用發(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。Ⅳ.啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程②啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品蒸煮56發(fā)酵7消毒8終止產(chǎn)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Ⅳ.啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程（1）生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品②啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程①~⑥主發(fā)酵：完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。⑦~⑧后發(fā)酵：在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間,形成澄清、成熟的啤酒討論1：利用酵母菌進行酒精發(fā)酵過程中為什么要“先通氣后密封”？“通氣”的目的是使酵母菌進行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌進行酒精發(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，會使啤酒變酸，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，酒精就會在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)榇姿?。思?/p>

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討論

啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程（p24-25）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)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)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(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質。思考

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啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程（p24-25）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。另一方面，這類產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質不穩(wěn)定、價格昂貴的問題。思考

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啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程（p24-25）1.

在食品工業(yè)上的應用（2）生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑添加劑類型酸度調節(jié)劑增味劑著色劑增稠劑防腐劑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（3）生產(chǎn)酶制劑1.

在食品工業(yè)上的應用食品直接生產(chǎn)改進生產(chǎn)工藝簡化生產(chǎn)過程提高產(chǎn)品產(chǎn)量延長食品儲存期改善產(chǎn)品的品質和口味酶制劑的作用酶制劑果膠酶脂肪酶α-淀粉酶β-淀粉酶氨基酸肽酶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移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物。②未來可能利用微生物生產(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。（2）直接對菌種進行改造，再通過發(fā)酵技術大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。①利用經(jīng)過基因改造的微生物進行發(fā)酵生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素。（3）利用基因工程，將病原體的某個或某幾個抗原基因轉入適當?shù)奈⑸锛毎?，獲得的表達產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。例：一種生產(chǎn)乙型肝炎疫苗的方法就是將乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌，再通過發(fā)酵生產(chǎn)。（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3.在農(nóng)牧業(yè)上的應用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、生物活性物質等來增進土壤肥力，改良土壤結構，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：利用微生物或其代謝物來防治病蟲害。②常見微生物農(nóng)藥：微生物或代謝產(chǎn)物防治病蟲害種類蘇云金桿菌（Bt毒蛋白）80多種農(nóng)林害蟲白僵菌（真菌）玉米螟、松毛蟲一種放線菌產(chǎn)生的抗生素（井岡霉素）水稻枯紋病微生物農(nóng)藥作為生物防治的重要手段，將在農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用（3）生產(chǎn)微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質，如細菌的蛋白質含量占細胞干重的60%~80%，而且細菌生長繁殖速度很快。②實例1——單細胞蛋白Ⅰ.單細胞蛋白生產(chǎn)過程：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。Ⅱ.單細胞蛋白成分：不僅含有豐富的蛋白質，還含有糖類、脂質和維生素等物質Ⅲ.單細胞蛋白應用：可以作為食品添加劑、微生物飼料等。其中微生物飼料能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。（3）生產(chǎn)微生物飼料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，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。（1）解決資源短缺和環(huán)境污染問題：利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質。①極端微生物：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。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。4.在其他方面的應用（2）將極端微生物應用于生產(chǎn)實踐(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)在酸性條件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺(

)(3)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(

)(4)單細胞蛋白指通過發(fā)酵而獲得的微生物菌體(

)判斷正誤×√×√與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比,發(fā)酵工程的產(chǎn)品種類更加豐富,產(chǎn)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(chǎn)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。（）×√√×練習與應用一、概念檢測1.在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)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：血紅蛋白具有攜帶O2的能力）可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉入青霉素生產(chǎn)菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。二、拓展應用練習與應用污水池中污泥樣品初選振蕩培養(yǎng)若干天后測定各瓶中化合物A的含量接種候選菌接種選擇接種接種