选择性必修三第一章第三节发酵工程及其应用

第一章

发酵工程第一章

发酵工程

第三节

发酵工程及其应用学习目标：1.概述发酵工程及其基本环节2.举例说明发酵工程在生产上有

重要的应用价值从社会中来

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?选育高产菌种扩大培养配制培养基灭菌接种发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品一、发酵工程的概念及其理解

1.概念：

利用微生物的特定功能，通过现在工程技术，规模化生产对人类有用的产品2.对发酵工程概念理解：（1）微生物：包括来自自然界的微生物、诱变育种的微生物和基因重组的微生物（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胰岛素（3）利用工程菌发酵的过程：改造菌种和商品生产（4）实质：利用微生物进行产品生产对点练例1 下列关于发酵工程的叙述,正确的是

A.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B.发酵工程的产品就是微生物的各种代谢物C.发酵过程中发酵条件温度的控制主要是通过发酵罐壁散热D.发酵过程要及时添加必备营养成分来延长菌体生长稳定期时间,便于得到更多的发酵产物解析:发酵工程与传统发酵技术都要利用微生物来进行发酵，A项错误;发酵工程的产品有两大类,一类是菌体本身,另一类是代谢物,B项错误:发酵过程中微生物代谢产热和搅拌产热,使发酵液温度升高,通过发酵罐壁散热达不到散热效果,主要通过向冷却夹层通入冷水来散热降温,C项错误;发酵过程为保证获得更多的发酵产物,应及时向发酵罐中添加必备营养成分来延长菌体生长稳定期时间,D项正确。D6在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。生产柠檬酸生产啤酒生产味精黑曲霉啤酒酵母谷氨酸棒状杆菌在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。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、提纯产物获得产品性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。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发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。电动机排气管pH计冷却水排出口冷却夹层发酵液搅拌叶轮生物传感器装置空气入口放料管阀门培养物或营养物质的加入口观察孔取样管温度传感器和控制装置冷却水进入口

这是发酵工程的中心环节。在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物的数量、产物的浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。

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。如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。01二、发酵工程的基本环节71.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？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和溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养组分。01①繁殖快、代谢旺盛、代谢产物多②对营养物质的要求低，低成本培养③发酵条件容易控制；④菌种不易变异、退化等。思考·讨论二、发酵工程的基本环节8013.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？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。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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。思考·讨论二、发酵工程的基本环节传统发酵技术获得的产物一般是成分复杂的混合物，一般不会再对产物进行分离和提纯处理，或仅采用简单沉淀、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。初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法，进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。9011.发酵工程的特点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；三、发酵工程的应用10012.在食品工业上的应用三、发酵工程的应用（1）生产传统的发酵食品如：用大豆来生产酱油产品。谷物或水果生产各种酒类。大豆（蛋白质)黑曲霉（蛋白酶）小分子的肽和氨基酸酱油淋洗、调制谷物或水果酿酒酵母酒类11思考-讨论

：啤酒的工业化生产流程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。消毒终止后发酵过滤过滤、调节、分装啤酒进行出售。12思考-讨论

：啤酒的工业化生产流程1.与传统的手工发酵相比，在下面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?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？提示：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品质。提示：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。13思考-讨论

：啤酒的工业化生产流程小结：1.啤酒的发酵过程分为_______和_______两个阶段；2.主发酵阶段完成________________________________；3.后发酵的条件__________________________；4.焙烤的目的：___________________________；5.蒸煮的目的：__________________________________。主发酵后发酵酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成低温、密闭的环境下储存一段时间加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌6.先通气后密封：“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。7.后期密封不严，酒会变酸的原因：14012.在食品工业上的应用三、发酵工程的应用（2）生产食品添加剂添加了柠檬酸的饮料增加食品的营养改善食品的口味、色泽和品质延长食品的保存期食品添加剂的作用15012.在食品工业上的应用三、发酵工程的应用（3）生产酶制剂食品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提高产品产量酶制剂的作用α-淀粉酶β-淀粉酶果胶酶脂肪酶氨基肽酶…

…酶制剂16013.在医药工业上的应用三、发酵工程的应用基因工程、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17014.在农牧业上的应用三、发酵工程的应用（1）生产微生物肥料

利用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。

有的微生物肥料抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。常见微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥(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苏云金杆菌防治80多种农林虫害。18014.在农牧业上的应用三、发酵工程的应用（3）生产微生物饲料

微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快。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；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。19015.在其他方面的应用三、发酵工程的应用（1）解决资源短缺与环境污染问题

随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功（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。嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂2001对点练例2下列关于发酵工程的应用的说法,正确的是（）A.食品添加剂由于可以增加食品营养,改善食品的色、香、味,还可延长保存期，使用时应尽量多添加B.加酶洗衣粉使用时用沸水洗涤效果最好C.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,同时提高动物免疫力D.与使用化学农药相比,使用微生物农药具有成本高、见效快、无污染的特点C

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