高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 发酵工程及其应用学案

               第一章第3节 发酵工程及其应用

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【学习目标】

1.建构发酵工程的概念

2.概述发酵工程的基本环节，举例说明发酵工程的应用

3.提升对发酵工程基本环节的认识，发展工程思维，认同发酵工程为人类提供了多样的生物产品

4.关注发酵工程在食品、医药、农牧业的应用，倡导健康、安全的生活和生产

【重点难点】

阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品

预习案

一、发酵工程的基本环节

1. 发酵工程的形成过程：随着人们对                的认识，                   的建立，以及                    的设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成
2. 发酵工程的基本环节：发酵工程一般包括            ，扩大培养，               、

           ，接种，          ，                        等方面

（1）选育菌种：性状优良的菌种可以从　　　中筛选出来，也可以通过　　 　或　　　　　　

获得。

（2）扩大培养：工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，因此在发酵之前还需要对菌种进行　　　　。

（3）配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。培养基的配方要经过　　　　

才能确定。

（4）灭菌：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。因此，　　　和　　　　都必须经过严格的灭菌。

（5）接种

（6）发酵罐内发酵：这是发酵工程的            。在发酵过程中，要随时检测培养液中的　　　　、　　　　等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的　　　　，要严格控制　　、

　  　和溶解氧等发酵条件。大型发酵罐有计算机控制系统，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。

（7）分离、提纯产物：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用　　　　　等方法将菌体分离和干燥得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的　 　　　　措施来获得产品。

二、发酵工程的应用

1．在食品工业上的应用

(1)                   ，如　酱油、各种酒类　。

(2)                            ，如通过　  　　发酵制得的柠檬酸，由　　　　　　　发酵生产味精。

(3)             ，如α­淀粉酶、β­淀粉酶、脂肪酶等。

2．在医药工业上的应用

　　工程、　　　工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。

3．在农牧业上的应用

(1)              。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，常见的有　　　　、

　 　　　等。

(2)                       。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，将在农业的　　　　　方面发挥越来越重要的作用。

(3)                  。微生物含有丰富的　　　。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　　　　　，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。

4．在其他方面的应用

发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决　　　        　和　　  

等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。

【预习自测】

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)在发酵工程中，可通过诱变育种、基因工程育种获得菌种(　 　)

(2)分离、提纯酵母菌发酵生产的单细胞蛋白，可采用过滤、沉淀等方法(　 )

(3)在连续培养过程中补充的同种培养液和空气须先灭菌(　 )

(4)乳酸菌可以代替酵母菌用于乙醇的生产(　 )

(5)发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢物的形成速度都与搅拌速度有关(　 )

(6)单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的(　 　)

课中案

探究一发酵过程的基本环节

【情境探究1】请根据发酵工程的基本环节和发酵罐的结构，思考回答问题：

 （1）现代发酵工程和传统发酵技术所用菌种的来源有什么差异？

（2）为什么发酵工程的生产条件比较温和？

（3）有人认为食品添加剂都是有害的，这种想法对吗？为什么？

（4）发酵过程中为什么要控制发酵条件？

(5)在谷氨酸发酵中产物是什么？它属于代谢物吗？

(6)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？

(7)怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？

 (8)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？

 (9)进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？ 为什么？

【归纳总结】发酵工程基本环节分析

提醒　发酵工程操作中的几个注意事项

(1)发酵工程所用菌种分为已有的常规菌种和改造菌种。一般都是使用保存于冷冻管或冰箱中的斜面菌种，正式使用前先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于扩大培养。

(2)发酵过程监控和发酵条件控制直接会影响产品的质量和产量。一方面要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度以了解发酵进程；另一方面要及时添加必备的营养组分来延长菌体生长稳定期的时间，以便得到更多的发酵产物；同时要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件，来保证产品的产量和质量。

(3)发酵产品的分离、提纯要根据产品类型选择不同方法，若发酵产品是菌体本身，可采用过滤、沉淀等方法；若发酵产品是代谢物，需要根据代谢物的性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法。

探究二发酵过程的应用

【情境探究】

1.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？

2.微生物肥料使作物增产的原理是什么？

3.抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？

4.在糖化阶段，温度低影响啤酒品质，温度高会使友牙产生的淀粉酶等失活，你能想到什么方法解决？

5.发酵后的啤酒需要经过消毒才能包装销售，请你利用所学知识，分析用什么方法对啤酒进行消毒。

【归纳总结】啤酒的工业化生产流程及发酵过程

(1)啤酒发酵的工业化生产流程及操作目的

(2)啤酒发酵的过程及内容

(3)“精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别

【典例】．发酵法生产酒精后的废液(pH 4.3)含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下。请据图回答下列问题：

(1)实验过程中培养白地霉的培养基是____________ 。培养基定量分装前，先调节________ ，分装后用棉塞封瓶口，最后________处理。

(2)图中①过程称为________ ，从甲到丁的培养过程是为了____________ 。白地霉菌的代谢类型为____________ 。

(3)为确定菌体产量，图中②操作之前，应先称量__________ 的质量。过滤后需反复烘干称量，直至________。所获菌体干重等于____________。

第一章第3节 发酵工程及其应用

课前案

一、发酵工程的基本环节

1.发酵原理   微生物纯培养技术   封闭式发酵罐

2.菌种的选育   培养基的配制 灭菌  发酵   产品的分离、提纯

（1）自然界   有变育种  基因工程育种  （2）扩大培养

（3）反复试验（4）培养基  发酵设备（5）

（6）中心环节  微生物数量  产物浓度   营养组分  温度 PH

（7）过滤、沉淀    提取、分离和纯化

二、发酵工程的应用

1．(1)生产传统发酵产品

(2)生产各种各样的食品添加剂  黑曲霉  谷氨酸棒状杆菌。 (3)生产酶制剂

2．基因工程  蛋白质工程

3．(1)生产微生物肥料  有机酸  生物活性物质  根瘤菌肥  固氮菌肥

(2)生产微生物农药  微生物  其代谢物 生物防治  可持续发展

(3)生产微生物饲料   蛋白质   微生物菌体 

4．粮食、环境、健康和能源 

【预习自测】√√√× √  × 

探究一发酵过程的基本环节

（1）传统发酵技术用的菌种一般是原材料中天然存在的多种菌种，而现代发酵工程用的菌种是通过微生物培养技术获得的单一菌种。

（2）发酵是利用微生物的代谢将原料进行转化，而微生物细胞代谢是在常温常压条件下进行的，因此发酵工程的生产条件比较温和。

(3)不对。食品添加剂可以增加食品的营养，改善食物的口味等，只要符合国家标准，并不会对人体产生伤害。

（4)发酵条件会影响微生物的生长繁殖和代谢物的形成。

(5)谷氨酸发酵产物是谷氨酸棒状杆菌产生的谷氨酸，是细胞代谢物。

(6) 需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。还要结合当地的气候和发酵设备等实际情况

(7) ①反复试验确定培养基的配方。

②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌。

③用计算机控制系统对发酵过程进行监测和控制。

④控制发酵过程的温度、pH和溶解氧等发酵条件。可用温度传感器、冷却水进入口和排出口控制温度,利用发酵罐的通气口控制氧气的量等。

(8) 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。在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、膜分离吸附和离子交换等方法；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。

（9）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。

探究二发酵过程的应用

1.提示：醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为乙酸。

2.提示：微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质能增进土壤肥力、改良土壤结构，促进植物生长。

3.提示：某些微生物因争夺生存环境或营养物质，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死；微生物会通过合成或分解代谢生产它必需的物质，包括氨基酸、核苷酸等；微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，以便将营养物质水解成可吸收的小分子的肽或氨基酸、葡萄糖。

4.可以在此阶段使用发酵工程生产的耐高温的淀粉酶制剂。

5.为了保持啤酒的风味，应用巴氏(低温）消毒法进行消毒。

【典例】.(1)废液上清液　 pH　 灭菌　(2)接种　 扩大培养　异养需氧型　

(3)滤纸　恒重(质量基本不变)　恒重时的质量与滤纸质量之差(答案合理即可)