1.3发酵工程及其应用（导学案）-高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3.docx

第1章发酵工程

第3节发酵工程及其应用

【素养目标】

1.概述发酵工程及其基本环节。（生命观念）

2.举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。（科学思维、社会责任）

【学习重点】发酵工程的基本环节、发酵工程的应用。

【学习难点】发酵工程的基本环节。

【课前预习】

一、发酵工程的概念和基本环节

1.发酵工程:是指利用微生物的特定功能,通过现代工程技术,规模化生产人类所需的产品,一般包括菌种的选育,扩大培养,培养基的配制、灭菌,接种,发酵,产品的分离、提纯等方面。

2.发酵工程的基本环节

(1)发酵工程的流程图:

(2)各环节的关键

①菌种的来源有a.自然界筛选、b.诱变育种获得、c.基因工程育种获得。

②工业发酵罐体积很大,接入的菌种体积也很大,因此需要扩大培养。

③配制培养基:在菌种确定之后,要选择原料制备培养基。

④发酵工程所用的大多是单一菌种。培养基和发酵设备都须经过严格的灭菌。

⑤发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。发酵过程中要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等;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。

⑥分离、提纯产物:如果发酵产品是微生物细胞,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥;如果发酵产品是代谢物,可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施获得产品。

二、发酵工程的应用

1.在食品工业上的应用

食品工业是微生物最早开发和应用的领域。主要包括三个方面:

第一,生产传统的发酵产品。如酱油、各种酒类等。

第二,生产各种各样的食品添加剂。如柠檬酸、味精等。

第三,生产酶制剂。如α淀粉酶、β淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶等。

2.在医药工业上的应用

主要用于生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂、疫苗等方面。

3.在农牧业上的应用

第一,生产微生物肥料。微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,常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长,从而减少病害的发生。

第二,生产微生物农药。微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。常用的微生物有苏云金杆菌、白僵菌;代谢产物有抗生素(如井冈霉素)等。

第三,生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质,而且细菌生长繁殖速度很快。可以通过发酵获得微生物菌体,即单细胞蛋白。在青贮饲料中添加乳酸菌等。

4.在其他方面的应用

利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。对解决资源短缺与环境污染问题具有重要意义。极端微生物应用于生产实践:如嗜热菌、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。

【课堂探究】

【探究一】发酵工程的基本环节

[资料]如图是工业发酵生产酒精的发酵罐结构。

[思考]1.发酵工程生产酒精的基本环节有菌种的选育,扩大培养,培养基的配制、灭菌,接种,发酵,产品的分离、提纯。

2.图中的料液、酒母分别代表了发酵工程中所用的培养基和菌种,后者应该用酵母菌。

3.从图中的“入孔”可以看出,工业发酵罐体积庞大,甚至可以让工作人员沿着发酵罐上的“入孔”进入罐内进行检查。所以,在进行发酵之前需要对菌种进行扩大培养。

4.为保证发酵菌种的单一,防止杂菌污染而导致产量下降甚至发酵失败,应对培养基和发酵罐进行灭菌。

5.冷却水是为了控制发酵罐内发酵时温度保持相对稳定。除了温度外,还要对发酵过程中的pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。

6.工业发酵生产酒精是利用了酵母菌的无氧呼吸产生的代谢产物。其反应式为:C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量。

【探究二】发酵工程的应用

[资料]味精是一种最常用的食品添加剂,2016年全球味精产量高达470万吨。其中我国的产量占73%。味精的主要成分是谷氨酸钠,是由发酵工程生产的谷氨酸经过一系列处理制成的。谷氨酸的发酵过程一般是在通用式发酵罐内进行的,规模从几升到几百万升,罐上除有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置外,还有对温度、酸碱度、通气量与转速等发酵条件进行检测和控制的装置。现在的谷氨酸发酵已趋向自动化生产,可以通过计算机对发酵罐上的各种装置进行自动记录和自动控制,向自动化生产管理过渡。

谷氨酸的发酵工艺流程如下:

菌种的选育斜面菌种液体培养(摇床或自动反应器)培养基的配制灭菌传种及扩大培养(1～3级发酵)发酵管理产品的提取(过滤、浓缩、离心、分离纯化等)制备包装入库

[思考](1)发酵工程的第一步是选择优质的菌种。生产谷氨酸常用的菌种有北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌等,这些生物都是原核生物。

(2)进行菌种的传种和扩大培养时,所用发酵液的主要成分有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等,对培养基进行灭菌常用的方法是高压蒸汽灭菌。

(3)谷氨酸发酵