高中生物苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第四节 发酵工程及其应用学案

这是一份高中生物苏教版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第四节 发酵工程及其应用学案，共11页。学案主要包含了发酵工程利用了微生物的特定功能，发酵工程的一般过程，发酵工程应用广泛等内容，欢迎下载使用。


一、发酵工程利用了微生物的特定功能
1．微生物的种类：主要包括细菌、真菌和病毒等。
2．微生物的特定功能和特点
(1)生长旺盛、繁殖快。
(2)吸收多、转化快。
(3)适应性强、易变异。
(4)种类多、分布广。
微生物种类繁多不仅体现在物种的种类上，还体现在微生物的生理代谢类型上。
二、发酵工程的一般过程
1．发酵工程的概念：采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术称为发酵工程。
2．过程
包括发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等。
3．发酵过程的控制：利用计算机对发酵过程进行自动调节控制。
(1)氧含量的调节可以通过通气量和搅拌的速度实现。
(2)温度的调节可以通过发酵罐夹层或蛇形管中的冷却水的热交换作用来实现。
(3)pH的调节可以通过在培养基中添加酸或碱等来实现。
4．分批发酵与连续发酵
(1)分批发酵
①概念：一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式。
②生长曲线：单细胞微生物的生长状况随着发酵罐中各种物质浓度的变化表现出一定规律。根据不同培养时间里细菌数量的变化，可以做出一条反映细菌在整个培养期间数量变化规律的曲线。
分批发酵中的细菌生长曲线
思考：
延滞期：细菌等微生物在刚接种到一个新的环境之后，需要经历一个短暂的适应时期。该时期内微生物一般不增殖。
对数期：此时细胞分裂增殖旺盛，活微生物数量增长速率最高。此时微生物的代谢活性高、生命力强。
稳定期：微生物的生长速率维持相对稳定。
衰亡期：随着培养基中营养物质的消耗，代谢产物积累和pH等环境条件的变化，微生物生长受到影响，生长速率降低，死亡速率逐步增加。此时微生物代谢活性降低，呈现衰老和自溶现象。
(2)连续发酵
①概念：在发酵罐中，以一定的速率不断地放出老的培养基和代谢产物，同时不断添加新的培养基和调节相关发酵条件，使发酵过程保持相对稳定。
②类型：单罐连续发酵和多罐连续发酵等方式。
③优点：简化了发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率和单位时间产量等。
三、发酵工程应用广泛
1．发酵工程的主要产品
2．发酵工程的应用领域
(1)在医药业中的应用：主要包括生产各种抗生素、酶、氨基酸、激素和免疫制剂。
①发酵工程可生产许多具有治疗作用的氨基酸。
②发酵工程可生产甾体激素、生物制品(包括菌体、代谢产物及免疫抑制剂)、酶抑制剂。
③胰岛素、抗肿瘤的干扰素、乙肝疫苗等药物也可通过发酵工程大规模生产。
(2)在食品业上的应用
①应用于酿造酒、醋、酱油等传统酿造业。
②生产调味品或发酵食品等。
③生产甜味剂和应用于食品加工。
(3)在农业中的应用
①生产生物农药：主要包括真菌杀虫剂、细菌杀虫剂等。
②生产生物增产剂：主要有微生物肥料和微生物饲料。接种固氮菌可增加土壤氮肥的肥力；发酵饲料、青贮饲料和单细胞蛋白都是很好的微生物饲料。
③生产生物除草剂
我国科学家用专门寄生于菟丝子的某种真菌制成防治农田杂草菟丝子的除草剂。
④生产饲料添加剂：通过发酵工程生产的氨基酸、维生素、调味剂等。
(4)在其他领域的应用
发酵工程的产物淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶在纺织、皮革制造、造纸等行业中都发挥着重要作用；发酵工程还可以应用于污水处理或沼气发酵等方面。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．微生物具有吸收多、转化快，适应性强、易变异等特点。( )
[答案] √
2．发酵工程的中心环节是选育菌种。( )
× 提示：发酵工程的中心环节是发酵罐内发酵的过程。
3．发酵工程中要对培养基进行灭菌，发酵设备不用灭菌。( )
× 提示：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
4．目前已经可以利用计算机对发酵过程进行自动调节控制。( )
[答案] √
5．分批发酵中，稳定期的微生物代谢活性高，生命力强。( )
× 提示：对数期的微生物代谢活性高，生命力强。
6．利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。( )
× 提示：利用微生物农药防治农林虫害属于生物防治。
7．微生物饲料主要是利用发酵工程生产的微生物的菌体。( )
[答案] √
发酵工程中发酵条件的控制
1．微生物发酵生产的水平最基本的条件取决于生产菌种的性能，但有了优良的菌种之后，还需要有最佳的环境条件即发酵工艺加以配合，才能使其生产能力充分表现出来。因此必须研究生产菌种的最佳发酵工艺条件，如营养要求、培养温度、pH条件、对氧的需求等，据此设计合理的发酵工艺，使生产菌种处于最佳的产物合成条件下，才能取得优质高产的效果。
2．由于微生物发酵是多达数十步甚至数百步的生物化学反应，其过程远比化学反应过程复杂，往往环境条件的微小变化，就会对微生物的生产能力产生明显影响。所以，为了控制整个发酵过程，必须了解微生物在发酵过程中的代谢变化规律，这是通过各种检测方法，测定各种发酵参数如细胞浓度、碳氮源等物质的消耗、产物浓度等随时间变化的情况，以便能够控制发酵过程，使生产菌种的生产能力得到充分发挥。
合作探究：(1)利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
提示：“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。
(2)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？
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，最后变为醋酸。
1．某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒发酵过程的研究，下列叙述错误的是( )
A．夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理
B．乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大
C．正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压
D．可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵
B [果酒发酵的适宜温度为18～25 ℃，因此夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理，A正确；乙醇是酵母菌无氧呼吸的产物，因此分解过程中不需要通入空气，B错误；无氧呼吸产生了二氧化碳，但是没有消耗氧气，因此发酵罐中的气压不会低于大气压，C正确；葡萄酒发酵的原料是糖类，因此可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵，D正确。]
2．发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。
(1)图中①表示的育种方法是________________。
(2)人工控制微生物代谢的措施包括________________和______________。
(3)在赖氨酸或谷氨酸发酵过程中，产物源源不断地产生，这说明该生产采用了________的发酵方式。在生产过程中，常需增加通氧量，因此判断赖氨酸或谷氨酸发酵菌种为________菌。
(4)当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用________等分离提纯的方法进行提取。
[解析] 基因工程、细胞工程和诱变育种是发酵工程菌种的来源。控制微生物代谢的措施包括两个方面：一方面是改变微生物的遗传特性，另一方面是控制生产过程中的各种条件。在发酵生产中，产物源源不断地产生，因此发酵过程是连续的。发酵生产的产品是代谢产物，分离提取产物的方法有萃取、蒸馏和离子交换等。
[答案] (1)诱变育种 (2)改变微生物遗传特性 控制生产过程中的各种条件 (3)连续培养 好氧 (4)萃取(或蒸馏或离子交换等)
发酵工程的应用
发酵工程的应用
合作探究：(1)微生物肥料使作物增产的原理是什么？
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。
(2)微生物农药防治农林害虫的原理是什么？
提示：微生物农药是利用微生物或其代谢产物来防治病虫害的。
发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是( )
A．黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种
B．啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品
C．用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题
D．用液体培养基可大规模生产减毒疫苗
D [黑曲霉产生的蛋白酶可将大豆中的蛋白质分解为小分子的肽和氨基酸，进一步加工为酱油，柠檬酸可通过黑曲霉发酵获得，A正确；啤酒酿制终止后，可通过过滤、沉淀等手段获得酵母细胞(单细胞蛋白)，将滤液加工后得到啤酒，B正确；纤维废料分解得到葡萄糖，其经过发酵得到酒精，既减少了环境污染，又减缓了能源短缺问题，C正确；减毒疫苗是病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，病毒不能独立地在液体培养基中生长繁殖，D错误。]
[课堂小结]
1．关于发酵工程说法错误的是( )
A．依赖微生物纯培养技术的建立
B．发酵设备都是密封的
C．食品、医药工业离不开发酵工程
D．发酵工程与工农业生产也有密切关系
B [发酵设备是密闭的，不是密封的。]
2．关于发酵工程的菌种说法错误的是( )
A．发酵工程的菌种可以从自然界中筛选出来
B．发酵工程可以利用原材料中含有的菌种
C．发酵工程的菌种可以来自基因工程
D．发酵工程的菌种可以来自诱变育种
B [传统发酵技术利用的是原材料中含有的菌种，发酵工程利用的是经过筛选或培育的菌种。]
3．发酵工程灭菌的目的是( )
A．杀死细菌 B．杀死真菌
C．杀死所有微生物D．加大氮源、碳源的比例
C [灭菌是使用强烈的理化方法杀死物体内外所有的微生物，包括芽孢和孢子。]
4．发酵工程的正确操作过程是 ( )
①发酵 ②培养基的配制 ③灭菌 ④产品的分离与提纯 ⑤菌种的选育 ⑥接种 ⑦扩大培养
A．①③④⑤⑦②⑥B．⑤⑦②③⑥①④
C．②⑤⑦③①⑥④D．⑥⑤⑦②④③①
[答案] B
5．下列关于发酵工程的说法不正确的是( )
A．发酵过程中要随时检测培养液的微生物数量
B．发酵过程中要随时检测培养液的产物浓度
C．发酵过程中不需要再添加营养组分
D．发酵过程中要严格控制温度、pH和溶解氧等
C [发酵过程中需要及时添加必需的营养组分。]
6．以下不属于发酵工程的应用的是( )
A．生产抗生素、维生素、动物激素、胰岛素、重组乙型肝炎疫苗等
B．生产防腐剂、增味剂、着色剂、增稠剂等食品添加剂
C．生产用作饲料或食品添加剂的单细胞蛋白
D．获取用于产生抗体的动物细胞
[答案] D
1．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。
2．举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。
科学探究：根据发酵产品和利用微生物的不同讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。
科学思维：分析发酵工程基本环节，比较发酵工程与传统发酵工程的区别与联系。
社会责任：认同发酵工程在生产上的重要应用价值。
产品类型
主要产物
微生物菌体细胞
酵母菌、食用菌、微生物农药
微生物酶类
各种酶、酶制剂和各种曲类
微生物代谢产物
初级代谢产物，如氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白质、核酸和维生素；次级代谢产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物
微生物转化产物
利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系，将一种化合物转化成含有特殊功能基团的产物。例如，将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，将甾体转化成甾体激素
工程菌发酵产物
通过基因工程和细胞工程创造出许多具有特殊功能的“工程菌”，用发酵技术生产更多更好的产品，发挥更大的经济效益
动植物细胞的产物
通过大规模培养木瓜细胞，生产木瓜蛋白酶；利用植物细胞培养技术生产天然食用色素等
具体应用
成果
在食品业中的应用
生产传统的发酵产品
利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类
生产各种各样的食品添加剂
利用黑曲霉发酵生产柠檬酸、利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸
生产酶制剂
利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等
在医药业中的应用
通过工程菌生产药物
利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素
通过改造菌种生产药物
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
在农业中的应用
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
生产微生物农药
利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫
在农业中的应用
生产微生物饲料
以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液为原料，通过发酵获得大量微生物菌体，用于饲料生产
在其他方面的应用
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
对极端微生物的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
知 识 网 络 构 建
要 点 强 化 识 记
1．微生物具有生长旺盛、繁殖快，吸收多、转化快，适应性强、易变异的特定功能，还具有种类多、分布广的特点。
2．采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术称为发酵工程。
3．发酵工程一般包括发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等。
4．分批发酵是指一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式。
5．连续发酵是指在发酵罐中，以一定的速率不断地放出老的培养基和代谢产物，同时不断添加新的培养基和调节相关发酵条件，使发酵过程保持相对稳定。