資源簡介

人教版（2019）高中生物選擇性必修3
第一章 發酵工程
第3節 發酵工程及應用
電動機
排氣管
pH計
冷卻水排出口
冷卻夾層
發酵液
攪拌葉輪
生物傳感器裝置
空氣入口
放料管
閥門
培養物或營養物質的加入口
觀察孔
取樣管
溫度傳感器和控制裝置
冷卻水進入口
1.什么是發酵工程?
2.發酵工程的一般流程是什么?
3.發酵工程在生產上有哪些重要的價值?
從社會中來 P22
青霉素的生產
青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素，在“二戰”期間，青霉素挽救了數以萬計的生命，被稱為“有魔力的子彈”。其發現者亞歷山大·弗萊明（英國1881-1955。青霉素之父）在1945年獲諾貝爾生理學醫學獎。
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。隨著高產菌種的選育、發酵技術的發展等，青霉素步入了產業化生產的道路。如今，1瓶規格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。那么，在工業上，青霉素究竟是怎樣生產的呢?
發酵工程（微生物工程）
對發酵原理的認識
微生物純培養技術建立
密閉式發酵罐設計成功
嚴格控制環境條件(溫度、pH、溶解氧、壓強、營養物、泡沫等)
大規模生產
發酵產品
微生物的特定功能
現代化工程技術
發酵工程
發酵工程是指利用微生物的特定功能，通過現代工程技術，規模化生產對人類有用的產品。它涉及菌種的選育和培養、產物的分離和提純等方面。
一、發酵工的基本環節
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基。在生產實踐中，培養基的配方要經過反復試驗才能確定。
接種
選育菌種
配制培養基
擴大培養
滅菌
發酵罐內發酵
分離、提純產物
獲得產品
性狀優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。
工業發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，在發酵之前還需要對菌種進行擴大培養
發酵工程中所用的菌種大多數是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。因此，培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌。
現代發酵工程使用的大型發酵罐均有計算機控制系統，能對發酵過程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行監測和控制；還可以進行反饋控制，使發酵全過程處于最佳狀態。
電動機
排氣管
pH計
冷卻水排出口
冷卻夾層
發酵液
攪拌葉輪
生物傳感器裝置
空氣入口
放料管
閥門
培養物或營養物質的加入口
觀察孔
取樣管
溫度傳感器和控制裝置
冷卻水進入口
這是發酵工程的中心環節。在發酵過程中，要隨時檢測培養液中微生物的數量、產物的濃度等，以了解發酵進程。還要及時添加必需的營養組分，要嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發酵條件。
環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。
如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，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，可根據產物的性質采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品。
電動機D1
排氣管C3
pH計B3
冷卻水排出口C2
冷卻夾層
發酵液
攪拌葉輪D2
生物傳感器裝置B4
空氣入口A4
放料管A2
A3 閥門
A1培養物或營養物質的加入口
B1觀察孔
B2取樣管
B5溫度傳感器和控制裝置
C1冷卻水進入口
—發酵工程的中心環節！！！
發酵罐發酵
裝置編號
主要用途
A1-A3
A4
B1-B5
C1、C2
C3
D1、D2
控制培養物以一定速度進入、流出發酵罐，實現連續培養
控制溶解氧
通過肉眼觀察、儀器檢測等監控發酵條件以及發酵過程，B2處抽取樣品進一步檢測。
通過控制冷水流速調節罐溫
調節罐壓
電機帶動葉輪轉動進行攪拌，使微生物與發酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱。
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一、發酵工程的基本環節
總結：發酵工程的基本環節
選育菌種
從自然界中篩選
通過誘變育種獲得
通過基因工程育種獲得
擴大菌種
接種
滅菌:不能有雜菌污染。如在青霉素生產過程中如果污染了雜菌,某些雜菌會分泌青霉素酶將青霉素分解掉
培養基的配制
發酵工程的中心環節。在了解發酵進程的同時,還要控制發酵條件。如環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
發酵罐內發酵
分離、提純產物
獲得產品
中心環節
思考：
1.擴大培養目的是什么？
2.擴大培養所用的培養基，從物理性質上，一般選 培養基進行培養。
快速增加菌種數量
液體
液體培養基使微生物與營養物質接觸更充分，提高營養物質的利用率，利于微生物的繁殖。
3.為什么要嚴格控制發酵條件？
環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；
一、發酵工程的基本環節
1.微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？
2.怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？
要對溫度、pH和溶解氧等發酵條件進行嚴格控制，
使其適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必需的營養組分。
①繁殖快、代謝旺盛、代謝產物多
②對營養物質的要求低，低成本培養
③發酵條件容易控制；
④菌種不易變異、退化等。
思考·討論
發酵工程的基本環節
思考·討論
3.在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？
4.在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界環境中嗎？
為什么？
不能。發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。要進行二次清潔或滅菌處理后才能排放。
傳統發酵工藝獲得的產物主要是成分復雜的混合物，一般不會進行
產物的分離提純或僅是依靠簡單的分離沉淀來提純。
發酵工程中會使用較多的分離提純方法，如沉淀、萃取、膜分離等。
其產物都要進行嚴格的質量檢查。
1．發酵工程在工業生產上得到廣泛應用，其生產流程如下圖所示。結合賴氨酸或谷氨酸的生產實際，回答相關問題。
(1)圖中①表示的育種方法是
________________。
(2)人工控制微生物代謝的措施包
括________________ 和 __________________________。
(3)在賴氨酸或谷氨酸發酵過程中，產物源源不斷
地產生，這說明該生產采用了________的發酵方式。在生產過程中，常需增加通氧量，因此判斷賴氨酸或谷氨酸發酵菌種為 ______菌。
(4)當發酵生產的產品是代謝產物時，還要采用____________________等分離提純的方法進行提取。
誘變育種
改變微生物遺傳特性 　 控制生產過程中的各種條件
連續培養
好氧
萃取(或蒸餾或離子交換等)
牛刀小試
關于啤酒發展史的視頻
例：啤酒的工業化生產流程
發芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
發酵
主發酵
冷卻
大麥種子發芽，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。
淀粉分解，形成糖漿。
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微生物，延長它的保存期。
消毒
終止
后發酵
過濾
過濾、調節、分裝啤酒進行出售。
例：啤酒的工業化生產流程
1.與傳統的手工發酵相比，啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？
2.現在市面上流行一種“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”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規模釀造產品，發酵時間長、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模生產與小規模制作？
提示：菌種的選育、對原材料的處理、發酵過程的控制，產品的消毒等，都有助于提高啤酒的產量和品質。
提示：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，存在啤酒品質不穩定、價格昂貴的問題。
產物專一
生產條件溫和
原料來源豐富且價格低廉
廢棄物對環境污染小且容易處理
發酵工程的特點
在食品工業上的應用
在醫藥工業上的應用
在農牧業上的應用
在其他方面的應用
發酵工程的應用
閱讀教材24-27頁回答以下問題：
1.發酵工程有哪些方面的應用？
2.在食品工業上的應用有哪些？
3.在醫藥工業上的應用有哪些？
4.在農牧業上的應用有哪些？
二、發酵工程的應用
1. 生產傳統發酵產品
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
(1)醬油的生產
谷物或水果
釀酒酵母
各種酒類
(2)各種酒類的生產
在食品工業上的應用
二、發酵工程的應用
在食品工業上的應用
2. 生產各種各樣的食品添加劑
增加食品的營養
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、發酵工程的應用
（1）在食品工業上的應用
③生產酶制劑
概念：
從生物體中提取的具有酶特性的一類化學物質。
來源：
少數由動植物生產
大多數通過發酵工程生產
應用：
用于食品的直接生產、
改進生產工藝、
簡化生產過程、
改善產品的品質和口味、
延長食品儲存期和提高產量等方面。
產品：
α-淀粉酶、
β-淀粉酶、
果膠酶、
氨基酸肽酶
脂肪酶等。
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二、發酵工程的應用
基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合
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
多種免疫調節劑
2. 在醫藥工業上的應用
改造菌種
02
工程菌
01
疫苗
03
二、發酵工程的應用
3. 在農牧業上的應用
微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的有機酸、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，常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。
有的微生物肥料還可以抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發生。
生產微生物肥料
二、發酵工程的應用
② 生產微生物農藥
微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害
{21E4AEA4-8DFA-4A89-87EB-49C32662AFE0}微生物或生產出的藥物
防治對象
蘇去金芽孢桿菌
80多種農林蟲害
白僵菌
玉米螟、松毛蟲等
一種放線菌生產抗生素—井岡霉素
水稻枯紋病
生物防治
二、發酵工程的應用
實例1——單細胞蛋白
許多國家以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發酵獲得了大量的微生物菌體，即單細胞蛋白。
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。
微生物含有豐富的蛋白質，而且生長繁殖速度快。
能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高。
應用——食品添加劑、微生物飼料
二、發酵工程的應用
③ 生產微生物飼料
4. 其他方面上的應用
解決資源短缺和環境污染問題
對極端微生物的利用
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產量
利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質
二、發酵工程的應用
①
②
(2023·山東卷)我國是名副其實的發酵大國，發酵工程在食品工業、醫藥工業及農牧業等許多領域得到了廣泛的應用。下列相關敘述錯誤的是（ ）
A. 發酵工程的產品包括微生物的代謝產物、酶和菌體本身
B. 利用酵母菌等菌種的發酵工程生產的單細胞蛋白，可作為食品添加劑
C. 將乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌，再通過發酵可生產乙型肝炎疫苗
D. 利用發酵工程生產的微生物農藥，作為化學防治的重要手段，可用于防治病蟲害
習題鞏固
D
本節課堂小結
本章總結
1.與傳統發酵技術相比，發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)發酵工程與傳統發酵技術最大的區別就是前者可以利用微生物來進行發酵（ ）
(2)發酵工程的產品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。（ ）
(3)在發酵工程的發酵環節中,發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)通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。（ ）
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練習與應用
一、概念檢測
發酵工程
特點：
①菌種純、產量大、質量穩定；
②大規模生產、高度自動化控制
傳統發酵技術
①混合菌種
②固體發酵、半固體發酵
③家庭式、作坊式制作
二、拓展應用
1.在青霉素的發酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發揮想象力，提出解決這些問題的思路。
(1)青霉素發酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發酵過程中給微生物持續高效地供氧呢？(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菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。
練習與應用
(2)在發酵過程中，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現，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生青霉素，或者只產生頭孢霉素呢？
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。
2、通過微生物發酵，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。乙醇汽油的環保性令人稱道。調查顯示，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避這風險。
存在風險。在生產燃料乙醇時，為了規避這一風險，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。
練習與應用

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