1、-1-第第3 3节发酵工程及其应用节发酵工程及其应用学习目标1.通过学习,能够对发酵工程的基本环节进行分析。2.能够说出发酵工程在食品、医药、农牧业等方面的应用。3.尝试对发酵工程的实际应用进行实地调查。一、发酵工程的基本环节1.随着人们对发酵原理的认识,微生物纯培养技术的建立,以及密闭式发酵罐的设计成功,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。环节目的选育菌种性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来,也可以通过诱变育种或基因工程育种获得扩大培养工业发酵罐的体积大,接入的菌
2、种总体积大。在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养配制培养基 在生产实践中,培养基的配方要经过反复试验才能确定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,培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌接种环节目的发酵罐内发酵发酵工程的中心环节。在发酵过程中,要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等,以了解发酵进程。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。环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖,而且会影响微生物代谢物的形成。现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统,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
3、测和控制;还可以进行反馈控制,使发酵全过程处于最佳状态分离、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,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥,即可得到产品。如果产品是代谢物,可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品获得产品3.啤酒的工业化生产流程啤酒的工业化生产流程主要分为主发酵和后发酵两个阶段。具体为发芽,焙烤,碾磨,糖化,蒸煮,发酵,消毒,终止环节。预习反馈1.判断正误。(1)发酵工程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)发酵过程中所用的菌种大多是单一菌种。( )(3)扩大培养的主要目的是获得数量足够多
4、的菌种。( )2.发酵工程的中心阶段是()A.菌种的选育 B.扩大培养的接种C.发酵过程D.分离提纯答案C二 、发酵工程的应用1.发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点,在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用,形成了规模庞大的发酵工业。2.发酵工程的具体应用 食品工业生产传统的发酵产品,如酱油、各种酒类等生产各种各样的食品添加剂,如柠檬酸、谷氨酸等生产酶制剂,如果胶酶、脂肪酶等医药工业采用基因工程的方法,将植物或动物的基因转移到微生物中,获得具有某种药物生产能力的微生物;直接对菌种进行改造,再通过发酵技术大量生产所需要的
5、产品医药工业未来甚至可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物科学家利用基因工程,将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞,获得的表达产物可以作为疫苗使用农牧业生产微生物肥料,如根瘤菌肥、固氮菌肥等生产微生物农药,如井冈霉素等生产微生物饲料,如单细胞蛋白其他方面利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质;极端微生物的研究预习反馈1.判断正误。(1)单细胞蛋白就是一个蛋白质分子。( )(2)可以利用发酵工程和基因工程生产疫苗。( )(3)科学家可利用基因工程,将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞,获得的表达产物就可以作为疫苗使用。( )2.下列不
6、需要利用发酵工程的是()A.生产单细胞蛋白饲料B.通过生物技术培育可移植的皮肤C.利用微生物生产胰岛素D.工厂化生产青霉素答案B解析生产单细胞蛋白是利用发酵工程生产微生物菌体本身的过程。利用微生物生产胰岛素和工厂化生产青霉素都需要利用发酵工程。通过生物技术培育可移植的皮肤不是利用发酵工程。探究点一探究点二发酵工程的基本环节和影响因素发酵工程的基本环节和影响因素情境导引请根据发酵工程的基本环节和发酵罐的结构,思考回答下列问题。发酵罐示意图 探究点一探究点二1.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?提示选择发酵工程中用的菌种,在考虑生产需要(如微生物体内酶的催化能力、微生物的
7、繁殖速度等)的同时,还要结合当地的气候和发酵设备等实际情况。2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要?提示(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,空气入口控制氧气的量等。探究点一探究点二3.在进行发酵生产时,排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗?为什么?提示不能。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备,达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境
8、有毒害作用。探究点一探究点二选育菌种:可以从自然界中筛选,也可通过诱变育种或基因工程获得发酵罐内发酵:发酵工程的中心环节。在了解发酵进程的同时,还要控制发酵条件。如环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖,而且会影响微生物代谢物的形成灭菌:不能有杂菌污染。如在青霉素生产过程中如果污染了杂菌,某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉配制培养基 扩大培养接种归纳提升1.发酵工程的基本环节分析探究点一探究点二分离、提纯产物:(1)若产品是微生物本身,可采用过滤、沉淀等方法;(2)若产品是代谢物,可根据产物性质采取适当的措施获得产品 探究点一探究点二2.发酵过程的影响因素及相应的调节和控制方法(1)温度 微生物
9、分解有机物释放的能量,一部分用于合成ATP,另一部分散发到培养基中时,会引起发酵温度升高;机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。调节和控制培养液温度的方法:用冷却水进行温度的调节。(2)pHpH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时,培养液的pH就会下降;而碱性物质的生成则会导致培养液的pH上升。调节和控制培养液pH的方法:在培养基中添加缓冲液,在发酵过程中加酸或碱。探究点一探究点二(3)溶解氧对于好氧型微生物,发酵过程要保证充足的溶解氧;对于厌氧型微生物,要保证严格的无氧环境。调节和控制溶解氧的方法:利用发酵罐的通气口控制
10、氧气的量。探究点一探究点二3.啤酒的工业化流程 探究点一探究点二典例剖析(多选)下列关于发酵过程的说法,正确的是()A.培养基灭菌是发酵生产中的一个很重要的环节B.随时监测影响发酵过程的各种环境条件,并予以控制,才能保证发酵的正常进行C.在发酵过程中,要严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件,否则会影响菌种代谢物的形成D.发酵产品的分离方法是共同的答案ABC解析不同的发酵产品,其分离方法不同。有的需要过滤、沉淀,有的则需要进行蒸馏、萃取或离子交换。探究点一探究点二活学活练发酵工程的一项关键措施是灭菌,下列关于灭菌的叙述,正确的是()A.培养基和发酵设备均需要严格灭菌B.灭菌是杀死培
11、养基中的一切细菌和真菌C.通入无菌空气可以达到灭菌的目的D.pH调到7左右灭菌效果最好答案A解析培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌,A项正确;培养基的灭菌是杀死培养基中的一切微生物,B项错误;为防止杂菌污染,通入的空气也要是无菌的,但不是通入无菌空气就可以达到灭菌的目的,C项错误;灭菌效果与pH无直接关系,D项错误。探究点一探究点二发酵工程的应用发酵工程的应用情境导引发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域,在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上,做出了越来越大的贡献。请思考回答以下问题。1.利用微生物将纤维素发酵产生乙醇,和汽油按一定比例混合后形成乙醇汽油,请描述一下乙醇汽油的优点
12、。提示乙醇可通过粮食发酵制得,是可再生能源,推广使用乙醇汽油可以节省石油资源;乙醇燃烧生成二氧化碳和水,能减少汽车尾气的污染等。探究点一探究点二2.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。提示利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾,利用发酵工程使烟气脱硫,还可以利用微生物工程除臭等。3.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。提示在农业生产中,可以利用农作物废弃物生产食用菌,利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料;在植物保护方面,应用微生物产生的抗生素来生产生物农药,治理病虫害等。探究点一探究点二归纳提升 探究点一探究点二典例剖析下列对发酵工程应用的描述,错误的是()A.微生物肥料利用了微生物在发酵
13、过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力B.微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的C.微生物饲料主要利用的是微生物菌体D.发酵工程和基因工程结合,能生产自然界不存在的蛋白质答案D探究点一探究点二解析考查发酵工程在农牧业和医药方面的应用。微生物肥料利用了微生物在发酵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,A项正确;微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的,是生物防治的重要手段,B项正确;通过发酵获得大量的微生物菌体,即单细胞蛋白作为饲料,因此微生物饲料主要利用的是微生物菌体,C项正确;发酵工程和基因工程结合推动了发酵工程在医药领域的发展,但是只能生产自然界已存在的蛋白质,不能生产自然界不存在的蛋白质,D项错误。探究点一探究点二活学活练下列关于单细胞蛋白的叙述,正确的是()A.是从微生物细胞中提取的蛋白质B.通过发酵生产的微生物菌体C.是微生物细胞分泌的抗生素D.单细胞蛋白不能作为食品答案B解析单细胞蛋白是利用淀粉或纤维素的水解液,制糖工业的废液等为原料,通过发酵获得的大量的微生物菌体,所以不是特指微生物的某种蛋白质或抗生素;单细胞蛋白含有丰富的蛋白质,如真菌蛋白可作为食品。
