資源簡介

第3節 發酵工程及其應用的教案
【教學目標】
闡明發酵工程利用現代工程技術及微生物的特定功能，工業化生產人類所需產品。
核心素養：1.文化基礎：舉例說明發酵工程在醫藥、食品及其他工農業生產上有重要的應用價值。
2.自主發展：根據發酵產品和利用微生物的不同討論發酵工程中的發酵條件及控制方法。
3.社會參與：認可發酵工程在生產上的重要應用價值。
【教學重難點】
1.教學重點
發酵工程的基本環節、發酵工程的應用。
2.教學難點
發酵工程的基本環節
【新課導入】
利用教材“從社會中來”中的素材，明確青霉素的生產成本和價格因為發酵工程的應用大大降低，引發學生追問發酵工程的神奇，進而探討青霉素的工業生產工程，由此歸納出發酵工程的概念。
發酵工程，是指采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種新技術。
【新課講解】
發酵工程的基本環節
1、選育菌種
1）目的：
獲得性狀優良的菌種。
2）菌種來源：自然界中篩選、誘變育種（產生的是常規菌，生產微生物自身能合成的產品，如青霉素）、基因工程、細胞工程定向育種（產生的是工程菌，生產微生物自身不能合成的產品，如胰島素）
3）菌種選育的重要性（意義）
優良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發酵產品的產量高、質量穩定等優點，它往往還會賦予發酵產品獨特的風味，因此菌種選育環節在很大程度上決定了生物發酵產物的成敗
4）實例
篩選產酸量高的黑曲霉用來生產檸檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發酵、縮短生產周期
2、擴大培養
1）目的：獲得更多的菌種。
2）原因：工業發酵罐的體積一般較大，因此，需要接入的菌種總體積大。
3）擴大培養的培養基：一般為液體培養基。
3、培養基的配制、滅菌
1）配制要求
①在菌種確定之后（結合菌種代謝特點）選擇原料制備培養基；
②在生產實踐中，培養基的配方要經過反復試驗才能確定（即不斷優化培養
基）；
2）滅菌原因
發酵工程種所用的菌種大多是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導致產量大
大降低
3）滅菌目的
避免因雜菌污染而影響產品的品質和產量（培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌）
4、接種
將擴大培養后的菌種投放到發酵罐中
5、發酵罐內發酵
1）地位：發酵工程的中心環節
2）要求：①發酵過程中，要隨時檢測培養液中微生物數量、產物濃度等，以了 解發酵進程；②要及時添加必需的營養物質，要嚴格控制溫度、pH、溶氧量等發酵條件。
3）嚴格控制發酵條件的原因
①環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；
②嚴格控制發酵條件，有利于使發酵全過程處于最佳狀態
4）不同發酵條件的影響實例——谷氨酸發酵
①在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸
②在酸性條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺
5）發酵容器：發酵罐
見下圖
6）現代發酵工程使用的發酵罐的優點
均有計算機控制系統，能對發酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行監測和控制，還可以進行反饋控制，使發酵全過程處于最佳狀態。
6、產品的分離、提純
1）目的：獲得產品
2）產品的兩種形式
①微生物細胞本身 ②代謝物
3）采取手段
①發酵產品是微生物細胞本身時，可在發酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥
②發酵產品是代謝物時，可根據產物的性質采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品
思考、討論：
1、微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時，需要考慮哪些因素？
①在低成本的培養基上能迅速生長繁殖；
②生產所需代謝物的產量高；
③發酵條件易控制；
④菌種不易變異，退化等。
2、怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？
①反復試驗確定培養基的配方；
②對培養基和發酵設備進行嚴格的滅菌；
③隨時檢測培養液中微生物的數量、產物濃度等；
④及時添加必需的營養組分；
⑤嚴格控制溫度、pH和溶氧量等發酵條件，使用計算機控制系統對各種條件
進行監測和控制，以及反饋控制
3、在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？
傳統發酵技術獲得的產物一般不是單一的組分，而是成分復雜的混合物，很多時候不會再對產物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離提純產物。
發酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附或離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。發酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。
4、在進行發酵生產時,排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界環境中嗎 為什么？
不能；因為在進行發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。
為了減少或避免污染物的產生和排放，實現清潔生產，應該對排出的氣體和廢氣培養液進行二次清潔或滅菌處理。
發酵工程的應用
1、在食品工業上的應用
（1）生產傳統的發酵食品
①實例1——生產醬油
②實例2——釀酒
（2）生產食品添加劑
①食品添加劑優點
增加食物的營養，改善食品的口味、色澤和品質，延長食品的保存期
②實例1——檸檬酸
檸檬酸是一種食品酸度調節劑；可以通過黑曲霉的有氧發酵制得；
③實例2——味精
谷氨酸經過一系列處理就能制成味精；由谷氨酸棒狀桿菌經有氧發酵可以
得到谷氨酸；
（3）生產酶制劑
①常見酶制劑
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶
②酶制劑應用
食品的直接生產、改進生產工藝、簡化生產過程、改善產品的品質和口味、
延長食品儲存期和提高產品產量等；
③酶制劑來源
少數由動植物生產；絕大多數通過發酵工程生產；
啤酒的工業化生產流程：
原料：大麥、酵母菌
過程：
1）發芽：大麥種子釋放淀粉酶
2）焙烤：加熱殺死種子胚，但不使淀粉酶失活，減少胚發育時有機物的消耗
3）碾磨：使麥芽磨碎，便于糖化
4）糖化：在淀粉酶的作用下，分解淀粉形成葡萄糖
5）蒸煮：加入啤酒花這種植物，改良啤酒風味、質量和防腐，同時高溫滅菌、
終止酶的進一步作用
6）發酵：冷卻后，加入酵母菌進行發酵，發酵過程分為主發酵和后發酵兩個階
段，主發酵完成酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成；后
發酵階段需要低溫、密閉，以使二氧化碳溶于啤酒中。
7）消毒：殺死大多數微生物，但不是全部，因此，啤酒有保質期
8）終止：過濾、調節、分裝啤酒出售
思考、討論：
1、與傳統的手工發酵相比，在上面啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高
菌種的選育；對原材料的處理； 發酵過程的控制；產品的消毒等
2、“精釀”啤酒與“工業”啤酒的區別是什么？
2、在醫藥工業上的應用
（1）采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉移到微生物中，獲得具有某
種藥物生產能力的微生物
（2）直接對菌種進行改造，再通過發酵技術大量生產所需要的產品
例如利用微生物生產生長激素釋放抑制激素，提取紫杉醇、青蒿素前體等
化合物。
（3）將病原體的某個或某幾個抗原基因轉入適當的微生物細胞，獲得的表達產物就可以作為疫苗使用
例如乙型肝炎疫苗就是將乙肝病毒的抗原基因轉入酵母菌，再發酵生產。
3、在農牧業上的應用
（1）生產微生物肥料
①微生物肥料的種類
根瘤菌肥、固氮菌肥
②微生物肥料的作用
微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等來
增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長；有的微生物肥料可以抑制
土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發生.
（2）生產微生物農藥
①微生物農藥的作用
利用微生物或其代謝物來防治病蟲害
②防治類型：生物防治
（3）生產微生物飼料
①原理
微生物含有豐富的蛋白質，且繁殖速度快
②實例1——單細胞蛋白
許多國家以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發
酵獲得了大量的微生物菌體，即單細胞蛋白；單細胞蛋白應用——食品
添加劑、微生物飼料；
③實例2-乳酸菌
在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質，使飼料保鮮，動物食
用后還能提高免疫力。
4、在其他方面的應用
（1）解決資源短缺與環境污染問題
隨著對纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等
能源物質已取得成功
（2）將極端微生物應用于生產實踐
自然界中還存在著一定數量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環境（高
溫、高壓、高鹽和低溫等環境）中正常生活。
例如嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑，嗜低溫菌有助于提高熱敏性產
品的產量。
【板書】
第3節 發酵工程及應用
一、發酵工程的基本環節
（1）選育菌種
（2）擴大培養
（3）培養基的配制、滅菌
（4）接種
（5）發酵罐內發酵（中心環節）
（6）分離、提純產物
二、發酵工程的應用
（1）在食品工業上的應用
在醫藥工業上的應用
在農牧業上的應用
在其他方面的應用

展開更多......

收起↑