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3节 发酵工程及应用导学案 任务一：了解发酵工程的基本环节 发酵工程的基本环节：发酵工程一般包括 、 、 、 、接种、 、 等方面。选育菌种，扩大培养，培养基的配置，灭菌，接种，发酵产品的分离、纯化 1、 选育菌种 思考1：某镇独产一种美酒，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定，这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？ 菌种选择时考虑哪些因素：温度、pH值、营养、o2 思考2：如何获得性状优良的菌种？ 自然界中筛选 诱变育种或基因工程育种 2、扩大培养、配制培养基、灭菌、接种 ①工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发酵之前还需要对菌种进行 。扩大培养 ②发酵工程中所用的菌种大多是 菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。例如，在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌 将青霉素分解掉。因此， 和 都必须经过严格的 。单一 青霉素酶 培养基 发酵设备 灭菌 3、发酵罐内发酵 思考1：怎样控制发酵条件？ 提示：一方面要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度以了解发酵进程；另一方面要及时添加必备的营养物质来延长菌体生长稳定期的时间，以便得到更多的发酵产品；同时要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件，来保证产品的产量和质量。 思考2：以谷氨酸的发酵为例，说明不同酸碱条件对发酵过程影响如何？ 提示：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺 思考3：现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，作用如何？ 提示：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；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。 思考4：在进行发酵生产时，排出的气体和废气培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 提示：不能 污染环境 4、产品的分离、提纯 如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用 、 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 、 和 措施来获得产品。过滤 沉淀 提取 分离 纯化 自我总结： 流程中最重要的环节是 ；使用 菌种发酵； 和 都需灭菌处理；计算机控制发酵过程，可以进行 控制，不同发酵产品，分离纯化方法 （填“不同”或“相同”）。发酵罐中的发酵 单一 培养基 发酵设备 反馈 不同 任务六：了解发酵工程的应用 1、在食品工业上的应用 ①生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高。 实例：以大豆为主要原料，利用产生 的霉菌(如黑曲霉),将原料中的蛋白质水解成小分子的 和 ，然后经淋洗、调制成的酱油产品。以谷物或水果等为原料，利用 发酵生产的各种酒类。蛋白酶 肽 氨基酸 酿酒酵母 ②生产各种各样的食品添加剂。食品添加剂不仅可以增加食品的 ，改善食品的口味、色泽和 ，有时还可以延长食品的保存期。实例：柠檬酸是一种广泛应用的食品 调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得；由 发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制作 。营养 品质 酸度 谷氨酸棒状杆菌 味精 ③生产酶制剂。常用的酶制剂如α-淀粉酶、β-淀粉酶、 酶、氨基肽酶和脂肪酶等。食品的直接生产、改进 、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。少数由 生产，绝大多数通过 生产。果胶酶 生产工艺 动植物 发酵工程 2、 在医药工业上的应用 ①采用 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。基因工程 ②直接对菌种进行改造，再通过 大量生产所需要的产品。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 可以作为疫苗使用。发酵技术 表达产物 3、 在农牧业上的应用 ①生产微生物肥料。利用了微生物在代谢过程中产生的 、 等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植物生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以 土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。 ②生产微生物农药。与传统的化学农药不同，微生物农药是利用 或其 来防治病虫害的。微生物农药作为 防治的重要手段。 ③生产微生物饲料。微生物含有丰富的 ，且生长繁殖速度 。 4、其他方面的应用 ①利用纤维废料发酵生产 、 等能源物质。乙醇 乙烯 ②极端微生物的应用： 、 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。嗜热菌 嗜盐菌 拓展知识：工业啤酒与精酿啤酒 1、啤酒发酵的工业化生产流程及操作目的 提示 2、 “精酿”啤酒与“工业”啤酒的区别 提示 延伸应用 1、 青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？（提示：血红蛋白具有携带O2的能力。） 提示　可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。 2、引起全球新冠肺炎大流行的元凶是新冠病毒，利用发酵工程相关知识，如何大量生产新冠病毒疫苗？ 提示　可将新冠病毒的抗原基因转入某种微生物体内，再通过发酵工程大量生产新冠病毒疫苗。 课堂练习 纤维素是一种由葡萄糖首尾相连而成的高分子化合物，在地球上含量丰富。土壤中某些微生物能够产生纤维素酶分解利用纤维素，帮助人们利用秸秆等废弃物生产酒精，用纤维素酶处理服装面料等。某科研小组为了将土壤中的分解纤维素细菌纯化培养，进行了如下操作。请回答相关问题： 成分 纤维素粉 NANO3 KH2PO4 KCl 酵母膏 水解酪素 含量（g） 5.0 1.0 1.2 0.9 0.5 0.5 0.5 0.5 操作 将上述物质溶解后，用蒸馏水定容到1000mL (1)上表是纤维素分解菌的选择培养基配方，若根据物理性质划分，该培养基属于 培养基。在微生物培养的过程中，为防止杂菌污染，操作者的双手需要进行清洗和 。液体 （酒精）消毒 (2)刚果红（简称CR）是一种染料，在含有纤维素的培养基中加入刚果红时，刚果红能与培养基中的纤维素形成红色复合物。当纤维素被纤维素酶分解后，刚果红—纤维素的复合物就无法形成。下表为鉴别纤维素分解菌培养基配方。 成分 羧甲基纤维素钠 酵母膏 KH2PO4 琼脂 土豆汁 配制浓度为10mg/mL的CR溶液，灭菌后按照每200mL培养基加入1mL的比例加入CR溶液 含量（g） 5.0~10.0 1 0.25 15 100mL 操作 将上述物质溶解后，用蒸馏水定容到1000mL 用该培养基来培养纤维素分解菌，培养结果如图（黑点代表菌落）。其中分解纤维素能力最强的是菌落 ，原因是 。 E 刚果红与纤维素反应形成红色复合物，纤维素分解菌能够分解纤维素，因此纤维素分解菌周围会形成透明圈，且分解能力越强透明圈越大 (3)图中图1和图2是分离培养纤维素分解菌的结果图，其对应的接种方法分别是 和 ，接种过程中，图2所示方法接种工具至少需灼烧灭菌 次。 稀释涂布平板法 平板划线法 5 (4)将5g土壤溶于45mL无菌水，再稀释104倍，分别按图1接种方式将0.1mL样品接种到5个培养基上，统计菌落数目为156、158、160，据此可得出每克土壤中的纤维素分解菌活菌数约为 个。若某同学利用相同样品进行接种，只统计出25个菌落，出现该结果的原因是 。 1.58×108 涂布器灼烧后未冷却即涂布，高温下纤维素分解菌被烫死；培养液未摇匀即取样，样品中纤维素分解菌过少（其他答案合理即可） 1 学科网（北京）股份有限公司 $$