高中生物選擇性必修3：第1章 第3節(jié) 發(fā)酵工程及其應(yīng)用

第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過(guò)學(xué)習(xí),能夠?qū)Πl(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。2.能夠說(shuō)出發(fā)酵工程在食品、醫(yī)藥、農(nóng)牧業(yè)等方面的應(yīng)用。3.嘗試對(duì)發(fā)酵工程的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.隨著人們對(duì)發(fā)酵原理的認(rèn)識(shí),微生物純培養(yǎng)技術(shù)的建立,以及密閉式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)成功,人們能夠在嚴(yán)格控制的環(huán)境條件下大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品,發(fā)酵工程逐步形成。2.發(fā)酵工程一般包括菌種的選育,擴(kuò)大培養(yǎng),培養(yǎng)基的配制、滅菌,接種,發(fā)酵,產(chǎn)品的分離、提純等方面。環(huán)節(jié)目

的選育菌種性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來(lái),也可以通過(guò)誘變育種或基因工程育種獲得擴(kuò)大培養(yǎng)工業(yè)發(fā)酵罐的體積大,接入的菌種總體積大。在發(fā)酵之前還需要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基在生產(chǎn)實(shí)踐中,培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定滅菌發(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(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。因此,培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌接種—環(huán)節(jié)目

的發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過(guò)程中,要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等,以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分,要嚴(yán)格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖,而且會(huì)影響微生物代謝物的形成。現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的大型發(fā)酵罐均有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),能對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制;還可以進(jìn)行反饋控制,使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)分離、提純產(chǎn)物如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身,可在發(fā)酵結(jié)束之后,采用過(guò)濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥,即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物,可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施來(lái)獲得產(chǎn)品獲得產(chǎn)品—3.啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程主要分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個(gè)階段。具體為發(fā)芽,焙烤,碾磨,糖化,蒸煮,發(fā)酵,消毒,終止環(huán)節(jié)。預(yù)習(xí)反饋1.判斷正誤。(1)發(fā)酵工程一般包括菌種的選育,擴(kuò)大培養(yǎng),培養(yǎng)基的配制、滅菌,接種,發(fā)酵,產(chǎn)品的分離、提純等方面。(√)(2)發(fā)酵過(guò)程中所用的菌種大多是單一菌種。(√)(3)擴(kuò)大培養(yǎng)的主要目的是獲得數(shù)量足夠多的菌種。(√)2.發(fā)酵工程的中心階段是(

)A.菌種的選育

B.擴(kuò)大培養(yǎng)的接種C.發(fā)酵過(guò)程

D.分離提純答案C二

、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.發(fā)酵工程以其生產(chǎn)條件溫和、原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉、產(chǎn)物專一、廢棄物對(duì)環(huán)境的污染小和容易處理等特點(diǎn),在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和農(nóng)牧業(yè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。2.發(fā)酵工程的具體應(yīng)用

食品工業(yè)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,如檸檬酸、谷氨酸等生產(chǎn)酶制劑,如果膠酶、脂肪酶等醫(yī)藥工業(yè)采用基因工程的方法,將植物或動(dòng)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;直接對(duì)菌種進(jìn)行改造,再通過(guò)發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品醫(yī)藥工業(yè)未來(lái)甚至可能用微生物來(lái)生產(chǎn)過(guò)去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物科學(xué)家利用基因工程,將病原體的某個(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞,獲得的表達(dá)產(chǎn)物可以作為疫苗使用農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)微生物肥料,如根瘤菌肥、固氮菌肥等生產(chǎn)微生物農(nóng)藥,如井岡霉素等生產(chǎn)微生物飼料,如單細(xì)胞蛋白其他方面利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì);極端微生物的研究預(yù)習(xí)反饋1.判斷正誤。(1)單細(xì)胞蛋白就是一個(gè)蛋白質(zhì)分子。(×)(2)可以利用發(fā)酵工程和基因工程生產(chǎn)疫苗。(√)(3)科學(xué)家可利用基因工程,將病原體的某個(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞,獲得的表達(dá)產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。(√)2.下列不需要利用發(fā)酵工程的是(

)A.生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白飼料B.通過(guò)生物技術(shù)培育可移植的皮膚C.利用微生物生產(chǎn)胰島素D.工廠化生產(chǎn)青霉素答案B解析生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白是利用發(fā)酵工程生產(chǎn)微生物菌體本身的過(guò)程。利用微生物生產(chǎn)胰島素和工廠化生產(chǎn)青霉素都需要利用發(fā)酵工程。通過(guò)生物技術(shù)培育可移植的皮膚不是利用發(fā)酵工程。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)和影響因素情境導(dǎo)引請(qǐng)根據(jù)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)和發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu),思考回答下列問(wèn)題。發(fā)酵罐示意圖

探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二1.微生物菌種資源豐富,選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)需要考慮哪些因素?提示選擇發(fā)酵工程中用的菌種,在考慮生產(chǎn)需要(如微生物體內(nèi)酶的催化能力、微生物的繁殖速度等)的同時(shí),還要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蚝桶l(fā)酵設(shè)備等實(shí)際情況。2.怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要?提示(1)反復(fù)試驗(yàn)確定培養(yǎng)基的配方。(2)對(duì)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌。(3)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。(4)控制發(fā)酵過(guò)程的溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。可用溫度傳感器、冷卻水進(jìn)入口和排出口控制溫度,空氣入口控制氧氣的量等。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二3.在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí),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。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體和廢棄培養(yǎng)液需經(jīng)過(guò)相應(yīng)的凈化設(shè)備,達(dá)到國(guó)家排放要求后才能排放到外界環(huán)境中。因?yàn)橛行怏w和廢棄培養(yǎng)液對(duì)人和生物有害或?qū)Νh(huán)境有毒害作用。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二選育菌種:可以從自然界中篩選,也可通過(guò)誘變育種或基因工程獲得發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵:發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在了解發(fā)酵進(jìn)程的同時(shí),還要控制發(fā)酵條件。如環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖,而且會(huì)影響微生物代謝物的形成滅菌:不能有雜菌污染。如在青霉素生產(chǎn)過(guò)程中如果污染了雜菌,某些雜菌會(huì)分泌青霉素酶將青霉素分解掉配制培養(yǎng)基

擴(kuò)大培養(yǎng)←接種←歸納提升1.發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)分析探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二分離、提純產(chǎn)物:(1)若產(chǎn)品是微生物本身,可采用過(guò)濾、沉淀等方法;(2)若產(chǎn)品是代謝物,可根據(jù)產(chǎn)物性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)拇胧┇@得產(chǎn)品

探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二2.發(fā)酵過(guò)程的影響因素及相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制方法(1)溫度

微生物分解有機(jī)物釋放的能量,一部分用于合成ATP,另一部分散發(fā)到培養(yǎng)基中時(shí),會(huì)引起發(fā)酵溫度升高;機(jī)械攪拌也會(huì)產(chǎn)生一部分熱量引起溫度升高。調(diào)節(jié)和控制培養(yǎng)液溫度的方法:用冷卻水進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)。(2)pHpH發(fā)生變化的主要原因是培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)成分的利用和代謝產(chǎn)物的積累。如當(dāng)谷氨酸棒狀桿菌利用糖類物質(zhì)不斷生成谷氨酸時(shí),培養(yǎng)液的pH就會(huì)下降;而堿性物質(zhì)的生成則會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)液的pH上升。調(diào)節(jié)和控制培養(yǎng)液pH的方法:在培養(yǎng)基中添加緩沖液,在發(fā)酵過(guò)程中加酸或堿。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二(3)溶解氧對(duì)于好氧型微生物,發(fā)酵過(guò)程要保證充足的溶解氧;對(duì)于厭氧型微生物,要保證嚴(yán)格的無(wú)氧環(huán)境。調(diào)節(jié)和控制溶解氧的方法:利用發(fā)酵罐的通氣口控制氧氣的量。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二3.啤酒的工業(yè)化流程

探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二典例剖析(多選)下列關(guān)于發(fā)酵過(guò)程的說(shuō)法,正確的是(

)A.培養(yǎng)基滅菌是發(fā)酵生產(chǎn)中的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)B.隨時(shí)監(jiān)測(cè)影響發(fā)酵過(guò)程的各種環(huán)境條件,并予以控制,才能保證發(fā)酵的正常進(jìn)行C.在發(fā)酵過(guò)程中,要嚴(yán)格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉(zhuǎn)速等發(fā)酵條件,否則會(huì)影響菌種代謝物的形成D.發(fā)酵產(chǎn)品的分離方法是共同的答案ABC解析不同的發(fā)酵產(chǎn)品,其分離方法不同。有的需要過(guò)濾、沉淀,有的則需要進(jìn)行蒸餾、萃取或離子交換。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二活學(xué)活練發(fā)酵工程的一項(xiàng)關(guān)鍵措施是滅菌,下列關(guān)于滅菌的敘述,正確的是(

)A.培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備均需要嚴(yán)格滅菌B.滅菌是殺死培養(yǎng)基中的一切細(xì)菌和真菌C.通入無(wú)菌空氣可以達(dá)到滅菌的目的D.pH調(diào)到7左右滅菌效果最好答案A解析培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌,A項(xiàng)正確;培養(yǎng)基的滅菌是殺死培養(yǎng)基中的一切微生物,B項(xiàng)錯(cuò)誤;為防止雜菌污染,通入的空氣也要是無(wú)菌的,但不是通入無(wú)菌空氣就可以達(dá)到滅菌的目的,C項(xiàng)錯(cuò)誤;滅菌效果與pH無(wú)直接關(guān)系,D項(xiàng)錯(cuò)誤。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二發(fā)酵工程的應(yīng)用情境導(dǎo)引發(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(wèn)題上,做出了越來(lái)越大的貢獻(xiàn)。請(qǐng)思考回答以下問(wèn)題。1.利用微生物將纖維素發(fā)酵產(chǎn)生乙醇,和汽油按一定比例混合后形成乙醇汽油,請(qǐng)描述一下乙醇汽油的優(yōu)點(diǎn)。提示乙醇可通過(guò)糧食發(fā)酵制得,是可再生能源,推廣使用乙醇汽油可以節(jié)省石油資源;乙醇燃燒生成二氧化碳和水,能減少汽車尾氣的污染等。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二2.請(qǐng)列舉一下發(fā)酵工程在環(huán)境保護(hù)方面的其他應(yīng)用。提示利用微生物發(fā)酵清理城市廢棄物垃圾,利用發(fā)酵工程使煙氣脫硫,還可以利用微生物工程除臭等。3.請(qǐng)列舉一下發(fā)酵工程在其他行業(yè)中的應(yīng)用。提示在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,可以利用農(nóng)作物廢棄物生產(chǎn)食用菌,利用菌糠生產(chǎn)有機(jī)肥或部分替代動(dòng)物飼料;在植物保護(hù)方面,應(yīng)用微生物產(chǎn)生的抗生素來(lái)生產(chǎn)生物農(nóng)藥,治理病蟲(chóng)害等。探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二歸納提升

探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二典例剖析下列對(duì)發(fā)酵工程應(yīng)用的描述,錯(cuò)誤的是(

)A.微生物肥料利用了微生物在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來(lái)增進(jìn)土壤肥力B.微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝物來(lái)防治病蟲(chóng)害的C.微生物飼料主要利用的是微生物菌體D.發(fā)酵工程和基因工程結(jié)合,能生產(chǎn)自然界不存在的蛋白質(zhì)答案D探究點(diǎn)一探究點(diǎn)二解析考查發(fā)酵工程在農(nóng)牧業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用。微生物肥料利用了微生物在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來(lái)增進(jìn)土壤肥力,改良土壤結(jié)構(gòu),促進(jìn)植株生長(zhǎng),A項(xiàng)正確;微生物農(nóng)藥是利用微生物或其代謝物來(lái)防治病蟲(chóng)害的,是生物防治的重要手段,B項(xiàng)正確;通過(guò)發(fā)酵獲得大量的微生物菌體,即單細(xì)胞蛋白作為飼料,因此微生物飼料主要利用的是微生物菌體,C項(xiàng)正確;發(fā)酵工程和基因工程結(jié)合推動(dòng)了發(fā)酵工程在醫(yī)藥領(lǐng)域的發(fā)展,但是只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì),