1.3发酵工程及其应用导学案-2023-2024学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第1章 第3节　发酵工程及其应用 【学习目标】 1. 概述发酵工程及其基本环节。 2．举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。 知识点一　发酵工程的基本环节 【自主学习】 1．发酵工程的定义 通过现代工程技术，利用微生物的特定功能，生产人类所需的产品的过程。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．发酵工程的基本环节 (1)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。 (2)扩大培养：工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也要较大，因此在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。 (3)配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。培养基的配方要经过反复试验才能确定。 (4)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。 (5)接种：扩大培养的菌种和灭菌后的培养基加入发酵罐中。大型发酵罐有计算机控制系统，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测和控制。 (6)发酵罐内发酵：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成分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 (7)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。 【重点突破】 请根据发酵工程的基本环节和发酵罐的结构，思考回答问题： 1．为什么发酵工程的生产条件比较温和？ 发酵是利用微生物的代谢将原料进行转化，而微生物细胞代谢是在常温常压条件下进行的，因此发酵工程的生产条件比较温和。 2．有人认为食品添加剂都是有害的，这种想法对吗？为什么？ 不对。食品添加剂可以增加食品的营养，改善食物的口味等，只要符合国家标准，并不会对人体产生伤害。 3．发酵过程中为什么要控制发酵条件？ 发酵条件会影响微生物的生长繁殖和代谢物的形成。 4．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？ 需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。还要结合当地的气候和发酵设备等实际情况。 5．怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ (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，利用发酵罐的通气口控制氧气的量等。 6．在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？ 传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 7．进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 知识点二　发酵工程的应用 【自主学习】 1．发酵工程的特点 (1)条件：生产条件温和。 (2)原料：来源丰富且价格低廉。 (3)产物：专一。 (4)废弃物对环境污染小和容易处理。 2．在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类。 (2)生产各种各样的食品添加剂，如通过黑曲霉发酵制得的柠檬酸，由谷氨酸棒状杆菌发酵生产味精。 (3)生产酶制剂，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、脂肪酶等。 3．在医药工业上的应用 基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。 4．在农牧业上的应用 (1)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。 (2)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。微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。 (3)生产微生物饲料。微生物含有丰富的蛋白质。以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大