第3節

發酵工程及應用第1章

發酵工程選擇性必修3--生物技術與工程根據發酵產品和利用微生物的不同，討論發酵工程中的發酵條件及控制方法。（科學探究）基于發酵工程的基本環節和應用實例，闡明發酵工程的概念。（科學思維）認可發酵工程在生產上重要的應用價值。（社會責任）

學習目標010203學習目標微生物的選擇培養和計數選擇培養基科學實例篩選原因、思路、啟示選擇培養基的原理、概念、類型、舉例微生物的選擇培養選擇培養基的作用微生物選擇培養獲取純培養物的方法--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土壤中分解尿素的細菌的分離與計數(1)土壤取樣(2)樣品的稀釋(3)稀釋涂布平板法接種(4)微生物的培養與觀察微生物的數量測定間接計數法--稀釋涂布平板法直接計數--計數板計數法培養基的制備實驗設計分析與評價微生物純培養技術的建立密閉式發酵罐的設計成功人們對發酵原理的認識發酵工程形成一、發酵工程的形成采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種新技術選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？在產物分離和提純方面，發酵工程有哪些改進之處？怎樣調控發酵條件以滿足微生物的生長需要？在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等怎么處理？234

1探究1：閱讀課本P22-23內容，小組合作思考討論完成問題：一、發酵工程的形成選育菌種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擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品生產微生物直接合成的產物生產微生物不能合成的產品青霉素、谷氨酸等，可從自然界中分離出相應菌種，再用物理或化學的方法誘變育種，從突變個體中篩選出符合生產要求的優良菌種。用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構建工程細胞或工程菌，從而達到生產相應產品目的。一、發酵工程的基本環節選育菌種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擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節檸檬酸啤酒味精青霉素黑曲霉啤酒酵母黃青霉谷氨酸棒狀桿菌優良菌種具有健壯，不易退化，其發酵產品的產量高、質量穩定等優點，它往往還會賦予發酵產品獨特的風味選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節目的方法將培養到生長速度最快時期的菌體分開，再進行培養。增加菌種數量縮短生產周期選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節在菌種確定之后，要選擇原料制備培養基。生產實踐中，培養基配方要經過反復實驗才能確定。發酵工程一般使用液體培養基選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節發酵工程所用大多為單一菌種，有雜菌污染影響產量，培養基和設備需嚴格滅菌原因實例雜菌與菌種之間形成種間競爭關系使產量下降或雜菌產生的代謝物抑制菌種的生長使產量下降。在青霉素生產過程中混入雜菌，這些雜菌會分泌青霉素酶，分解青霉素。選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節液體培養基接種選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節發酵工程的中心環節實例--谷氨酸的發酵生產中性和弱堿性→累積谷氨酸；

酸性→谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺監控要點一監控要點二監控要點三檢測培養液中的微生物數量、產物濃度等及時添加必需的營養物質組分來延長菌體生長穩定期的時間，以得到更多的發酵產物嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發酵條件培養物或營養物質的加入口觀察孔取樣管電動機排氣管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溫度傳感器和控制裝置冷卻水進入口閥門放料管編號主要用途A區B區C區D區控制培養物以一定速度進入、流出發酵罐，實現連續培養通過肉眼觀察、儀器檢測等監控發酵條件以及發酵過程。取樣器也可以通過取樣判斷發酵狀態和程度。通過控制冷水流速調節罐溫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。一、發酵工程的基本環節選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節計算機控制系統監測控制溫度、pH、溶解氧、灌壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等微生物數量、產物濃度檢測及時添加必需的營養組分使發酵過程處于最佳狀態微生物的生長繁殖和代謝物的形成影響選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品一、發酵工程的基本環節菌體本身代謝產物根據其性質采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進行分離、提純采用過濾、沉淀等方式進行分離、提純問題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？(1)低成本的培養基上能迅速繁殖(2)生產所需代謝物的產量高(3)發酵條件易控制(4)菌種不易變異，退化等問題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。問題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？發酵工程與現代工程技術相結合或直接用微生物反應器，進行大規模發酵生產。主要是連續培養；實行高度自動化；采用基因重組菌生產，可以加壓生產等。傳統發酵工藝是主要是分批培養，人工操作，用天然菌種，常溫常壓進行。問題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？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。原理所用生物過程實質產物發酵原理和工程學原理常規菌種、通過誘變育種或基因工程獲得的菌種等通過微生物的大量繁殖獲得所需產品代謝物或微生物細胞本身選育菌種擴大培養滅菌配制培養基分離提純產物獲得產品發酵罐內發酵接種（一）優點：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（二）運用：醫藥其他食品農牧二、發酵工程的應用探究1：請閱讀教材P24-27內容，小組合作思考討論完成問題：在食品工業上的應用有哪些？在農牧業上的應用有哪些？在醫藥工業上的應用有哪些？在其他方面的應用有哪些？234

1二、發酵工程的應用（二）運用：1.在食品工業上的應用：(1)生產傳統的發酵產品實例1:醬油的生產小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉(蛋白酶)淋洗、調制實例2:各種酒類的生產各種酒類釀酒酵母二、發酵工程的應用探究2：通過觀看視頻，請小組合作思考討論完成問題：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“工業”啤

酒更健康，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？二、發酵工程的應用啤酒的工業化生產流程思考·討論發芽12焙烤3碾磨4糖化蒸煮56發酵7消毒8終止主發酵后發酵酵母菌繁殖，大部分糖分解和代謝物生成。在低溫、密閉的環境下儲存一段時間，形成澄清、成熟的啤酒。二、發酵工程的應用問題1：與傳統的手工發酵相比，在下面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？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。問題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

“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？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。二、發酵工程的應用類別“精釀”啤酒“工業”啤酒原料是否添加食品添加劑麥芽汁濃度發酵時間特點只用麥芽、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，可達2個月短，通常7天左右產量低、價格高產量高、價格低二、發酵工程的應用①利用黑曲霉發酵生產檸檬酸；②利用谷氨酸棒狀桿菌發酵生產谷氨酸，經處理制成味精。添加劑類型舉例酸度調節劑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-環狀糊精、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶二、發酵工程的應用（二）運用：1.在食品工業上的應用：(2)生產各種各樣的食品添加劑種類作用食品直接生產改進生產工藝簡化生產過程改善產品的品質延長食品儲存期提高產品產量α-淀粉酶β-淀粉酶果膠酶脂肪酶氨基肽酶二、發酵工程的應用（二）運用：1.在食品工業上的應用：(3)生產酶制劑發酵工程生產的藥物發酵工程動植物的基因微生物轉入直接改造微生物微生物病原體的抗原基因轉入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基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合二、發酵工程的應用（二）運用：2.在醫藥工業上的應用：改造菌種工程菌疫苗利用經過基因改造的微生物進行發酵生產生長激素釋放抑制激素未來可能用微生物來生產過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入酵母菌，再通過發酵生產疫苗二、發酵工程的應用基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合（二）運用：2.在醫藥工業上的應用：利用根瘤菌和固氮菌生產的根瘤菌肥、固氮菌肥2.生產微生物農藥利用蘇云金桿菌防治多種農林蟲害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲，屬于生物防治

3.生產微生物飼料1.生產微生物肥料單細胞蛋白二、發酵工程的應用（二）運用：3.在農牧工業上的應用：項目微生物農藥防治化學農藥防治防治機理優點缺點微生物農藥防治和化學農藥防治的比較利用微生物或代謝物進行防治成本低、無污染，可以維持生態平衡防治速度慢利用化學藥劑(如殺蟲劑、殺鼠劑)等進行防治見效快，操作簡單成本高，污染環境，不利于維持生態平衡二、發酵工程的應用（二）運用：3.在農牧工業上的應用：(1)解決資源短缺和環境污染問題對極端微生物(生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環境)的利用(2