1.3發(fā)酵工程及其應用（教案）docx

1.3發(fā)酵工程及其應用教案一、教學目標1.概述發(fā)酵工程及其基本環(huán)節(jié)。2.舉例說明發(fā)酵工程在生產(chǎn)上有重要的應用價值。二、教學重難點1.教學重點發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)、發(fā)酵工程的應用。2.教學難點發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)。三、教學過程【本節(jié)聚焦】1.什么是發(fā)酵工程？2.發(fā)酵工程的一般流程是什么？3.發(fā)酵工程在生產(chǎn)上有哪些重要的價值？【導入】從社會中來：青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，1瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢?提示：工業(yè)上，青霉素的產(chǎn)生按照發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)進行：首先進行青霉素生產(chǎn)菌高產(chǎn)菌種的選育；然后將高產(chǎn)菌種進行擴大培養(yǎng)增加菌種數(shù)量，同時配制適合青霉素生產(chǎn)菌生長的培養(yǎng)基進行滅菌；在無菌條件下將大量優(yōu)良高產(chǎn)菌種接種到培養(yǎng)液中，控制溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件進行發(fā)酵；發(fā)酵結(jié)束后進行青霉素的分離、提純，就可以得到大量青霉素。發(fā)酵工程的概念：發(fā)酵工程是指利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代工程技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品。它涉及菌種的選育和培養(yǎng)、產(chǎn)物的分離和提純等方面?！疽弧l(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)】選育菌種選育菌種（1）常用菌種：主要是細菌、放線菌、酵母菌和霉菌等。（2）菌種特點：①對周圍環(huán)境的溫度、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應能力。②有極強的消化能力。③有極強的繁殖能力。（3）菌種的來源：①從自然界中篩選出優(yōu)良菌種。②利用誘變育種篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。③利用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，構(gòu)建出能生產(chǎn)相應產(chǎn)品的菌種。擴大培養(yǎng)擴大培養(yǎng)工業(yè)發(fā)酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大，在進行接種前，要對菌種進行擴大培養(yǎng)。（1）目的：增加菌種的數(shù)量，縮短生產(chǎn)周期。（2）方法：將培養(yǎng)到生長速度最快時期的菌體分開，再進行培養(yǎng)。配制培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基（1）類型：發(fā)酵工程一般使用液體培養(yǎng)基。（2）要求：①根據(jù)菌種的代謝類型，選擇不同的材料配制培養(yǎng)基。②培養(yǎng)基應滿足微生物在碳源、氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的營養(yǎng)要求，并為微生物提供適宜的pH，以利于產(chǎn)物的合成。滅菌和接種③應盡量降低生產(chǎn)成本，以得到更高的經(jīng)濟效益。滅菌和接種發(fā)酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導致產(chǎn)量大大下降。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設備必須經(jīng)過嚴格的滅菌，接種過程中要注意防止雜菌污染。分離、提純產(chǎn)物；獲得產(chǎn)品分離、提純產(chǎn)物；獲得產(chǎn)品發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵{思考·討論}發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？提示：①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖；②生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高；③發(fā)酵條件容易控制；④菌種不易變異、退化等。2.怎樣對發(fā)酵條件進行調(diào)控以滿足微生物的生長需要？提示：要對溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件進行嚴格控制，使其適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必需的營養(yǎng)組分。3.在產(chǎn)物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比有哪些改進之處？提示：傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)獲得的產(chǎn)物一般是成分復雜的混合物，很多時候不會再對產(chǎn)物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離和提純產(chǎn)物。在發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。在產(chǎn)物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法，在進一步純化階段，會采用液相層析法、結(jié)晶法等方法。發(fā)酵工程產(chǎn)物，無論是代謝物還是菌體本身，最后都需要進行質(zhì)量檢查，合格后才能成為正式產(chǎn)品。4.在進行發(fā)酵生產(chǎn)時，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎？為什么？提示：不能。因為在進行發(fā)酵生產(chǎn)時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。要進行二次清潔或滅菌處理后才能排放。【二、酵工程的應用】發(fā)酵工程的特點：產(chǎn)物專一生產(chǎn)條件溫和原料來源豐富且價格低廉廢棄物對環(huán)境污染小且容易處理發(fā)酵工程的應用：在食品工業(yè)上的應用在醫(yī)藥工業(yè)上的應用在農(nóng)牧業(yè)上的應用在其他方面的應用(1)在食品工業(yè)上的應用生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如醬油、各種酒類等；生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑，如食品酸度調(diào)節(jié)劑——檸檬酸，增味劑——谷氨酸鈉等；生產(chǎn)酶制劑，如淀粉酶、果膠酶等。{思考·討論}啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程我國是世界上啤酒的生產(chǎn)和消費大國。啤酒是以大麥為主要原料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的，其工業(yè)化生產(chǎn)流程如下圖所示。其中發(fā)酵過程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個階段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成都在主發(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間進行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時間隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。視頻演示：啤酒的制作過程（見配套課件）討論：1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高？提示：菌種的選育、對原材料的處理、發(fā)酵過程的控制，產(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。2.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時間長、產(chǎn)量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？提示：應該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類產(chǎn)品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面,這類產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價格昂貴的問題。注意說明：啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)的五點提醒①啤酒酵母菌：通過微生物培養(yǎng)技術(shù)篩選出的優(yōu)良菌種，在接種前進行擴大培養(yǎng)，縮短生產(chǎn)周期。②焙烤溫度不能過高，防止淀粉酶失活。③蒸煮后的糖漿一定要冷卻后才能接種，防止高溫殺死酵母菌。④發(fā)酵過程中注意控制好溫度、pH、通氣、發(fā)酵時間等。⑤接種前要對發(fā)酵罐進行滅菌，接種時要進行無菌操作，防止雜菌污染。(2)在醫(yī)藥工業(yè)上的應用直接對菌種進行改造：通過發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品基因工程：將植物或動物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物；將病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入適當?shù)奈⑸锛毎?，獲得的表達產(chǎn)物作為疫苗未來：可能用微生物來生產(chǎn)過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物(3)在農(nóng)牧業(yè)上的應用生產(chǎn)微生物肥料：微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機酸、生物活性物質(zhì)等來增進土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進植株生長。生產(chǎn)微生物農(nóng)藥：微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。微生物農(nóng)藥作為生物防治的重要手段。生產(chǎn)微生物飼料：以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細胞蛋白，用單細胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。(4)在其他方面的應用解決資源短缺和環(huán)境污染問題：利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)對極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環(huán)境）的利用：利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產(chǎn)洗滌劑發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在助力解決糧食、環(huán)境、健康和能源等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻?！菊n堂小結(jié)】【練習與應用】一、概念檢測1.與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比，發(fā)酵工程的產(chǎn)品種類更加豐富，產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高。判斷下列相關(guān)表述是否正確。(1)發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)最大的區(qū)別就是前者可以利用微生物來進行發(fā)酵（×）(2)發(fā)酵工程的產(chǎn)品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。（√）(3)在發(fā)酵工程的發(fā)酵環(huán)節(jié)中,發(fā)酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖,也會影響微生物的代謝途徑。（√）(4)通過發(fā)酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。（×）二、拓展應用1.在青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發(fā)揮想象力，提出解決這些問題的思路。(1)青霉素發(fā)酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發(fā)酵過程中給微生物持續(xù)高效地供氧呢？(提示:血紅蛋白具有攜帶O2的能力)提示：可以用基因工程的方法，將血紅蛋白基因轉(zhuǎn)入青霉素生產(chǎn)菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。(2)在發(fā)酵過程中，總有頭孢霉素產(chǎn)生。人們通過對青霉素生產(chǎn)菌代謝途徑的研究發(fā)現(xiàn)，在青霉素與頭孢霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經(jīng)過兩種不同酶的作用分別合成兩個產(chǎn)物。如何改造青霉素生產(chǎn)菌使其只生產(chǎn)生青霉素，或者只產(chǎn)生頭孢霉素呢？提示：可以對兩種酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產(chǎn)菌只生產(chǎn)一種產(chǎn)物。2.通過微生物發(fā)酵，可以將糧食(如玉米、小麥等)及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我國多地廣泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的環(huán)保性令人稱道。調(diào)查顯示