发酵工程及其应用-高二下学期生物人教版选择性必修3

是世界上第一个应用于临床的抗生素。青霉素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。早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？人教版选择性必修3第1章第3节发酵工程发酵工程是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：利用微生物进行产品生产。一、发酵工程的基本环节5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、提纯产物获得产品发酵工程的中心环节一、发酵工程的基本环节1.选育菌种（1）选育目的获得_______________性状优良的菌种（2）方法自然界直接筛选性状优良的常规菌种；通过诱变育种或基因工程育种获得。（3）实例筛选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸（自然界）；使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒（基因工程）如青霉素高产菌株的获取（诱变育种）。产酸量高的黑曲霉一、发酵工程的基本环节1.选育菌种某镇特产一种美酒，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，因此菌种选育环节很大程度上決定了生产发酵产品的成败。一、发酵工程的基本环节2.扩大培养（1）目的获得_____________，确保有充足的菌体参与发酵。更多的菌种（2）原因工业发酵罐的体积一般比较大(几十立方米到几百立方米)，因此需要接入的菌种总体积大（几立方米到几十立方米）。（3）培养基一般为液体培养基（可以使微生物与营养物质充分接触，提高营养物质的利用率，有利于微生物的繁殖。）将培养到增长速率最快时期的菌体分开，再进行培养。一、发酵工程的基本环节3.配制培养基在菌种确定之后，要选择原料制备培养基（1）配制原则目的明确、营养协调、pH适宜（根据菌种的代谢特点，选择不同的材料配制培养基）（2）营养构成碳源、氮源、水、无机盐及特殊营养要求等（3）注意在生产实践中，培养基的配方要经过________才能大规模应用。反复试验不断优化培养基（成分、比例等）从物理性质上分，工业生产用的培养基通常是

。液体培养基一、发酵工程的基本环节4.灭菌（1）目的避免因______污染而影响产品的品质和产量。杂菌（2）原因发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。(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。)培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。（3）实例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。5.接种将扩大培养的菌种投放到发酵罐内一、发酵工程的基本环节6.发酵罐内发酵☆发酵工程的中心环节①随时检测培养液中的___________、_________等，了解发酵进程。②要及时添加必需的营养成分，③要严格控制______、______和________等发酵条件。微生物数量产物浓度温度pH溶氧量☞为什么要严格控制发酵条件？①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。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。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6.发酵罐内发酵(1)温度：通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整。通过加料装置添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液。(2)溶解氧：(3)pH：需氧型：通过空气入口通入空气，并调整

搅拌叶轮转速增加溶解氧。厌氧型：需封闭空气入口，建立厌氧环境等。一、发酵工程的基本环节7.分离、提纯产物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8.获得产品酱油味精啤酒青霉素根瘤菌思考讨论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。思考讨论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。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。思考讨论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。选育菌种扩大培养配置培养基灭菌接种发酵罐内发酵分离、提纯产物获得产品①从自然界中筛选的常规菌种①配置原则：目的明确、营养协调、pH适宜①目的：防止杂菌污染①检测培养液中的微生物数量、产物浓度等地位：中心环节②通过诱变育种或基因工程育种获得②营养构成：水、无机盐、碳源、氮源等②对象：培养基和发酵罐②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②代谢物：适当的提取、分离和纯化措施③严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件③注意：培养基使用前要经过反复试验才能用于大规模生产条件：环境条件稳定、温和，利于菌种生长繁殖目的：增加菌种数量所用培养基：液体培养基或固体培基①菌体本身：过滤、沉淀监控途径1.（2025·甘肃·高考真题）我国葡萄酒酿造历史悠久、传统发酵技术延续至今。发酵工程通过选育菌种和控制发酵条件等措施可优化传统发酵工艺，改善葡萄酒品质。下列叙述错误的是（）A．传统发酵时，葡萄果皮上的多种微生物参与了葡萄酒的发酵过程B．工业化生产时，酵母菌需在无氧条件下进行扩大培养和酒精发酵C．通过诱变育种或基因工程育种能够改良葡萄酒发酵菌种的性状D．大规模发酵时，需要监测发酵温度、pH值、罐压及溶解氧等参数B随堂演练2.如图是发酵工程生产产品的流程简图。

(1)能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的，①是____________；

高产青霉素菌种是通过②培育的，

②是________，③是细胞工程。基因工程诱变育种随堂演练(2)④表示______，⑤表示_____。接种灭菌(3)整个过程的中心阶段是发酵，

在此阶段需要随时取样、检测______________________等，以了解发酵进程，还要及时添加______________，同时严格控制________________________。微生物数目和产物浓度必需的营养组分发酵条件(pH、通气量、转速)

随堂演练二、发酵工程的应用产物专一生产条件温和原料来源丰富且价格低廉废弃物对环境污染小且容易处理发酵工程的特点在食品工业上的应用在医药工业上的应用在农牧业上的应用在其他方面的应用发酵工程的应用二、发酵工程的应用(一)在食品工业上的应用1.生产传统的发酵产品二、发酵工程的应用(一)在食品工业上的应用啤酒的工业生产流程二、发酵工程的应用发芽13焙烤8碾磨5糖化蒸煮47发酵2消毒6终止13854726答案：啤酒的工业生产流程二、发酵工程的应用啤酒的工业生产流程大麦水糖化罐发芽1大麦种子发芽，释放淀粉酶。2焙烤加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。3碾磨将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。4糖化淀粉水解形成糖浆。二、发酵工程的应用蒸煮5产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。6发酵酵母菌将糖转化为酒精和CO27消毒杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。8终止过滤、调节、分装啤酒进行出售。糖浆啤酒花过滤冷却装瓶装罐储存罐啤酒的工业生产流程二、发酵工程的应用啤酒的工业生产流程发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵消毒终止加啤酒花冷却过滤主发酵后发酵酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。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。二、发酵工程的应用啤酒的工业生产流程讨论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。讨论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？二、发酵工程的应用啤酒的工业生产流程讨论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。(一)在食品工业上的应用2.生产各种各样的食品添加剂(1)利用黑曲霉发酵生产柠檬酸。黑曲霉柠檬酸淀粉淀粉酶葡萄糖柠檬酸合成酶(2)利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。谷氨酸棒状杆菌谷氨酸味精处理发酵氧气(一)在食品工业上的应用2.生产各种各样的食品添加剂添加剂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(一)在食品工业上的应用3.生产酶制剂α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品品质和口味、延长储存期和提高产量等少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产(二)在医药工业上的应用基因工程、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(二)在医药工业上的应用生产抗生素例如应用青霉菌生产青霉素，用于治疗脑膜炎、肺炎等。生产多种氨基酸许多微生物都能产生氨基酸，发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。例如精氨酸可以治疗高氨血症（尿素合成障碍导致血氨浓度升高）等疾病。生产激素利用工程菌生产生长激素释放抑制激素，用于肢端肥大症的治疗。生产疫苗例如，利用工程菌生产乙肝疫苗。(三)在农牧业上的应用生产微生物肥料利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的

、

等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。有机酸生物活性物质(三)在农牧业上的应用微生物农药是利用

或

来防治病虫害的。微生物农药作为

的重要手段微生物其代谢物生物防治生产微生物农药微生物或代谢产物防治病虫害种类苏云金杆菌80多种农林虫害白僵菌玉米螟、松毛虫一种放线菌产生的抗生素—井冈霉素水稻枯纹病(三)在农牧业上的应用微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快生产微生物饲料实例1——单细胞蛋白许多国家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。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。（不是细胞提取物、代谢产物）(四)在其他方面的应用1.解决资源短缺与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。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2.将极端微生物应用于生产实践(1)极端微生物：(2)应用能在极端恶劣的环境（如高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活的微生物。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。二、发酵工程的应用小结(1)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌()(2)谷氨酸的发酵生产需在强碱性条件下进行()(3)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺()(4)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率()××√×(5)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理。()(6)目前的酶制剂全部是微生物发酵生产的。()(7)现在已经可以通过微生物生产紫杉醇。()(8)单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体。()×××√随堂演练1.（2025·陕晋青宁卷·高考真