发酵工程及其应用【基础梳理+培优拓展】高二下学期生物人教版选择性必修3

第1章

发酵工程第3节

发酵工程及其应用

从社会中来

青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢?通过发酵工程生产的什么是发酵工程？对发酵原理的认识微生物纯培养技术的建立密闭式发酵罐的成功设计严格控制环境条件(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工程技术

指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。发酵工程的概念

指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。它涉及菌种的选育和培养、产物的分离和提纯等方面。①微生物：自然界中具有优良性状的微生物诱变育种的微生物基因重组的微生物（常规菌）（工程菌）②产品：包括利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造的酸奶，及利用工程菌生产的人胰岛素。③实质：利用微生物进行大规模产品生产。发酵工程的基本环节是什么呢？发酵工程的概念01发酵工程的基本环节接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品01一、发酵工程的基本环节选育菌种01一、发酵工程的基本环节

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，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败选育菌种01一、发酵工程的基本环节获得_________________性状优良的菌种从自然界中筛选、________或_____________。诱变育种基因工程育种生产柠檬酸产酸量高的黑曲霉（自然界）生产啤酒

基因工程改造的啤酒酵母（基因工程），加速发酵、缩短生产周期（1）目的：（2）菌种来源：（3）实例：青霉素高产青霉菌株（诱变育种）的获取选育菌种扩大培养01一、发酵工程的基本环节(2)扩大培养的原因：(1)扩大培养的目的：获得更多的菌种液体培养基(3)扩大培养的培养基物理类型:

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，再进行培养。选育菌种配制培养基扩大培养01一、发酵工程的基本环节配置培养基要遵循的原则：

①根据菌种的代谢特点，选择不同的材料配制培养基。配置的培养基应包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求。

②配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。选育菌种配制培养基扩大培养灭菌01一、发酵工程的基本环节发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。(1)灭菌的原因分析：杂菌与菌种之间形成的种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。(3)实例：

在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。(2)灭菌的目的：防止杂菌污染而影响产品的质量和品质。接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌01一、发酵工程的基本环节将扩大培养的菌种投放到发酵罐中。例如：谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。②严格控制发酵条件的原因发酵罐内发酵01一、发酵工程的基本环节接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵工程的中心环节①发酵过程的监控：a、要在发酵过程中随时取样，检测

培养液中的微生物数量、产物浓度

等，以了解发酵进程；c、严格控制温度、pH、溶解氧、通气

量与搅拌等发酵条件，已获得所需

的发酵产物。a.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。b.严格控制发酵条件，有利于发

酵过程处于最佳状态。b、及时添加必需的营养物质组分来延

长菌体生长稳定期的时间，以得到

更多的发酵产物；培养物或营养物质的加入口观察孔取样管温度传感器及控制装置冷却水进入口阀门空气入口放料管生物传感器装置搅拌叶轮发酵液冷却夹层冷却水排出口pH计排气管电动机发酵罐示意图抽取样本进行检测调节罐温调节罐压控制溶解氧含量不断搅拌的目的：

①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率；

②加快O2的溶解以及散热。一、发酵工程的基本环节培养物或营养物质的加入口观察孔取样管温度传感器及控制装置冷却水进入口阀门空气入口放料管搅拌叶轮发酵液冷却夹层冷却水排出口pH计排气管电动机发酵罐示意图一、发酵工程的基本环节现代发酵工程使用的发酵罐的优点：

均有_______________，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行_____和_____，还可以进行_________，使发酵全过程处于________；计算机控制系统监测控制反馈控制最佳状态接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物01一、发酵工程的基本环节发酵产物类型获得产品的方法微生物细胞代谢物过滤、沉淀等方法适当的提取、分离和纯化措施分离、提纯产物的方法措施：接种选育菌种配制培养基扩大培养灭菌发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品01一、发酵工程的基本环节思考讨论1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？需要考虑的因素包括：

①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；

②生产所需代谢物的产量高；

③发酵条件容易控制；

④菌种不易变异、退化等。2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？

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一、发酵工程的基本环节

3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？

传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，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，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。

发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。思考讨论发酵工程基本环节分析一、发酵工程的基本环节

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。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。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弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。思考讨论发酵工程基本环节分析一、发酵工程的基本环节

结合刚刚的分析，思考发酵工程相比传统发酵技术，有什么优点？发酵工程的优点：(P24)①

生产条件温和；②

原料来源丰富且价格低廉；③

产物专一；④

废弃物对环境的污染小和容易处理；讨论

因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。02发酵工程的应用

以大豆为主要原料，利用产生蛋白酶的霉菌（如：黑曲霉）发酵生产酱油酱油大豆中蛋白质小分子肽和氨基酸黑曲霉淋洗、调制（一）在食品工业上的应用

一、发酵工程的应用1、生产传统的发酵产品（蛋白酶）

以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发酵生产各种酒类。谷物、水果酿酒酵母酒类酒精+CO2一、发酵工程的应用1、生产传统的发酵产品啤酒是怎样进行工业化生产的多呢？（一）在食品工业上的应用

啤酒的工业化生产流程一、发酵工程的应用1、生产传统的发酵产品（一）在食品工业上的应用

我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。发芽焙烤碾磨糖化蒸煮主发酵消毒终止后发酵完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成思考·讨论在低温、密闭的环境下储存一段时间啤酒的工业化生产流程加啤酒花冷却接种过滤发酵27发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵主发酵冷却大麦种子发芽，释放淀粉酶。加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。淀粉分解，形成糖浆。产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。酵母菌将糖转化为酒精和CO2。杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。消毒终止过滤过滤、调节、分装啤酒进行出售。01思考·讨论啤酒的工业化生产流程后发酵1.与传统的手工发酵相比，在啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？

菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和质量。思考·讨论啤酒的工业化生产流程

2.现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？“精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作？

应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。思考·讨论啤酒的工业化生产流程类别“精酿”啤酒“工业”啤酒原料是否添加食品添加剂麦芽汁浓度发酵时间特点只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等不添加添加

较高，口味浓郁较低，口味清淡长，可达2个月短，通常7天左右产量低、价格高产量高、价格低一、发酵工程的应用1、生产传统的发酵产品2、生产各种各样的食品添加剂增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期①食品添加剂的作用：②实例1——柠檬酸柠檬酸是一种食品酸度调节剂；可以通过黑曲霉的发酵制得；淀粉淀粉酶黑曲霉葡萄糖柠檬酸合成酶柠檬酸（一）在食品工业上的应用

一、发酵工程的应用1、生产传统的发酵产品2、生产各种各样的食品添加剂③实例2——味精谷氨酸棒状杆菌发酵氧气谷氨酸处理味精添加剂的类型举例酸度调节剂L-苹果酸、柠檬酸、乳酸增味剂5’-肌苷酸二钠、谷氨酸钠着色剂β-胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂黄原胶、β-环状糊精、结冷胶防腐剂乳酸链球菌素、溶菌酶（一）在食品工业上的应用

一、发酵工程的应用1、生产传统的发酵产品2、生产各种各样的食品添加剂3、生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶、脂肪酶等①常见的酶制剂：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。③来源：少数由动植物生产，大多数通过发酵工程生产。②酶制剂的应用：

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高产量等方面。（一）在食品工业上的应用

一、发酵工程的应用（二）在医药工业上的应用

（一）在食品工业上的应用

33基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合动植物的基因微生物直接改造微生物转入微生物病原体的抗原基因转入发酵工程药物药物疫苗各种抗生素多种氨基酸多种激素多种免疫调节剂一、发酵工程的应用（二）在医药工业上的应用

（一）在食品工业上的应用

（三）在农牧业上的应用

1、生产微生物肥料①微生物肥料的种类：根瘤菌肥、固氮菌肥②微生物肥料的作用：

Ⅰ生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长；

Ⅱ有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生.一、发酵工程的应用（二）在医药工业上的应用

（一）在食品工业上的应用

（三）在农牧业上的应用

1、生产微生物肥料2、生产微生物农药①微生物农药的作用机理：利用微生物或其代谢物来防治病虫害②实例：苏云金杆菌防治80多种农林虫害。白僵菌防治玉米螟、松毛虫等虫害。井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素）防治水稻枯纹病。③防治类型：生物防治项目微生物农药防治化学农药防治防治机理优点缺点利用微生物或代谢物进行防治成本低、无污染，可以维持生态平衡防治速度慢利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治见效快，操作简单成本高，污染环境，不利于维持生态平衡微生物农药防治和化学农药防治的比较一、发酵工程的应用（三）在农牧业上的应用

2、生产微生物农药一、发酵工程的应用（二）在医药工业上的应用

（一）在食品工业上的应用

（三）在农牧业上的应用

1、生产微生物肥料2、生产微生物农药3、生产微生物饲料①原理：微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快②实例1——单细胞蛋白单细胞蛋白一、发酵工程的应用（三）在农牧业上的应用

3、生产微生物饲料①原理：微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快②实例1——单细胞蛋白以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白；单细胞蛋白应用：单细胞蛋白生产过程：食品添加剂、微生物饲料；单细胞蛋白成分：不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质③实例2-乳酸菌

在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。一、发酵工程的应用（四）在其他方面的应用

1、解决资源短缺和环境污染问题利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质2、将极端微生物应用于生产实践

自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。①极端微生物：②举例：嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。

发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。截止2015年，我国生物发酵生产年总值近2900亿元，产品总量位居世界第一。我国是名副其实的发酵大国。一、发酵工程的应用

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

污染。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课堂小结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发酵工程应用生产酶制剂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生产微生物肥料生产微生物农药生产微生物饲料解决资源短缺与环境污染问题将极端微生物应用于生产实践课堂小结一、概念检测

（1）发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。（

）（2）发酵工程的产品主要包括微生物的代谢、酶及菌体本身。（

）（3）在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。（

）（4）通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（

）×√×√练习与应用

与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质粒明显提高。判断下列相关表述是否正确。二、拓展应用

1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。练习与应用

(1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力)

可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。二、拓展应用

1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。

可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。练习与应用

（2）在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同的酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？2.通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。

存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。练习与应用（1）在培养基中加入化合物A的目的是

__________________________，这种

培养基属于__________培养基。（2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A

含量

的培养液，接入新的培养中续培养，使目的菌

的数量________。

1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。筛选出可降解化合物A的微生物选择显著降低扩增复习与提高

1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。复习与提高

（3）若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落进行液体培养，再采用_________________

方法进行计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。细菌计数板计数S形增长

1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。复习与提高

（4）将目的菌用于环境保护实践时,还有哪些问题需要解决?

目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践

1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主