1、第四节 发酵工程及其应用u 教学目标1举例说出发酵工程及相关技术的基本原理，建立微生物学知识是发酵工程设计基础的生命观念。2阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品。树立发酵工程为人类提供多样化生物产品的生命观念。3尝试利用微生物的某种功能，设计简单的工业化流程，生产人类需要的某种产品，提高综合运用生物学知识的能力。 4举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值。u 教学重难点【教学重点】发酵工程的一般过程【教学难点】尝试利用微生物的某种功能，设计简单的工业化流程，生产人类需要的某种产品u 教学过程【新课引入】呈现事实：1大肠杆菌是原核生物，细
2、胞拟核内有一个环状的双链DNA分子。细胞分裂前，DNA分子会进行复制。分裂时一般是以简单的二分裂方式进行无性繁殖的。 2在适宜条件下，大肠杆菌分裂一次仅需要2030 min。3实际上，大肠杆菌在生长和繁殖过程中，会消耗大量的营养物质，环境pH也会发生改变。思考：1计算：人的肠道环境非常适合大肠杆菌的生长和繁殖。利用计算器计算一个大肠杆菌在人的肠道中24 h后，理论上能达到的数量。（4 7221021）2推理：大肠杆菌是一类细菌。基于日常生活中多种细菌影响我们生活的实例（如肉汤腐败），推理细菌除了繁殖快之外，可能还会具有的特征。微生物还有哪些特定功能呢？这些特定功能又是如何被发酵工程所利用的呢？
3、【新知讲解】一、发酵工程利用了微生物的特定功能阅读教材35页，归纳微生物的特定功能和特点，并举例说明这些特定功能和特点在发酵工程中的用处。微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能。在发酵工程液体培养中，接种后细菌细胞数量会呈几何级数增长。微生物吸收多、转化快的特定功能为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障。微生物具有适应性强、易变异的特定功能。这为通过育种大幅度地提高菌种的生产性能提供了保障。微生物还具有种类多、分布广的特点。微生物种类繁多不仅体现在物种的种类上，还体现在微生物的生理代谢类型上。可根据需要在发酵工程中将这些特定功能加以利用。发酵工程利用了微生物的这些特定功能生产多种多样的产品，且应用
4、范围不断扩大。有资料表明，仅利用大肠杆菌即可生产2 0003 000种蛋白质；人类发现的抗生素已经超过9 000种，其中绝大多数来自微生物。二、发酵工程的一般过程在微生物纯培养技术日益成熟、现代发酵设备日趋先进的基础上，采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术称为发酵工程。 发酵工程不再是一种仅仅利用微生物代谢活动进行生产的简单工艺，而是一个综合了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的多学科综合工程。 发酵工程一般包括发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离
5、与提纯等主要步骤。1发酵原料的预处理 对原料进行粉碎、蒸煮，水解成葡萄糖等供微生物利用。2发酵培养基的配制 添加水、无机盐等营养物质，调节碳氮比和pH等。3菌种选育和扩大培养选育优良的菌种是发酵工程的首要条件。人们最早采用的是自然选育的方法，从自然界的菌种资源中筛选出理想的生产菌株。随着生物技术的发展，发酵工程的菌种选育逐渐采取诱变育种和基因工程育种等现代生物技术，其中，诱变育种是发酵工程中常用的育种方法。在菌种的筛选过程中，一般都要研究其最适发酵条件。这样，发酵工程可根据目标菌种的新陈代谢特性，选择不同的方式进行发酵，确定大规模发酵生产过程中的控制条件。将菌种扩大培养才能满足大规模生产的需要
6、。在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，让它们达到一定数量再进行接种，这样可以缩短菌种在发酵罐中发酵的时间。4发酵生产发酵罐是工业上用来进行微生物发酵的装置，通过控制发酵罐中的相关条件，为微生物提供一个最有利于产物合成及积累的培养环境。发酵条件：一是要对设备和培养基严格灭菌；二是发酵过程中需要随时取样，检测培养液中的细菌数目、产物浓度等，以了解发酵进程；三是要及时添加必需的培养基组分，以满足菌种的营养需求；四是要严格控制温度、pH、溶氧等环境因素。5产物的分离和提纯发酵产品包括微生物的代谢产物或菌体。通过过滤发酵液，离心去除固体杂质，采用蒸馏法等进一步纯化目标产品。小结
7、：发酵工程基本过程。现在，发酵工程已经发展到可以利用计算机对发酵过程进行自动调节控制的阶段。 氧含量的调节：通过通气量和搅拌的速度来实现。 温度的调节：通过发酵罐夹层或蛇形管中的冷却水的热交换作用来实现。 pH的调节：通过在培养基中添加酸或碱等来实现。6发酵工程的种类根据发酵过程的操作方式不同，可将工业发酵分为分批发酵和连续发酵等。（1）分批发酵：一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式。分析：尝试推测单细胞微生物生长曲线形成的原因。延滞期：细菌等微生物在刚接种到一个新的环境之后，需要经历一个短暂的适应时期。延滞期内微生物一般不增殖。 对数期：此时细胞分裂增殖旺盛，活微生物数量增长速率最高。
8、随着生长速率和数量的增加，微生物浓度呈几何级数增长。由于此时微生物的代谢活性高、生命力强，在生产上常作为“种子”，是科学研究中理想的实验材料。 稳定期：微生物的生长速率维持相对稳定，此时如能及时补充营养物质或分离代谢产物，改善培养条件，可延长稳定期。衰亡期：随着培养基中营养物质的消耗，代谢产物的积累和pH等环境条件的变化，微生物生长受到影响，生长速率降低，死亡速率逐步增加，活的微生物量逐步减少，此时微生物代谢活性降低，呈现衰老和自溶现象。设计：尝试设计一个利用青霉生产青霉素的分批发酵生产流程（用简图表示）。参考下图：连续发酵：在一个培养基可流动的装置（如发酵罐）中，以一定的速率不断地放出老的培
9、养基和代谢产物，同时不断添加新的培养基和调节相关发酵条件（如pH），使发酵过程保持相对稳定。方式：单罐连续发酵和多罐连续发酵等方式。优点：简化了发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率和单位时间产量等。三、发酵工程应用广泛发酵工程可以生产出多种类型的产物，这些产物和我们的生活密不可分，这使得发酵工程在社会经济发展中的地位和作用日益凸显。随着现代生物技术的发展，人们已经能够对微生物进行细胞水平和分子水平上的改良，甚至可以创造出新的微生物发酵菌种。这使发酵工程的发酵水平得到大幅度提高，发酵产品的种类不断增加。常见的发酵工程产品类型如下表。【学生活动】调查发酵工程在生活
10、中的应用实例自主阅读：教材4041页发酵工程的应用领域。小组讨论：以小组为单位，讨论发酵工程在某一应用领域（医药、食品、农业、其他领域）有哪些具体的应用实例。小组汇报：每一小组派代表汇报讨论成果，其他小组认真聆听并点评。课后拓展：通过互联网或图书馆，搜集有关计算机在生物发酵工程方面应用的资料。有兴趣的话，可以整理归纳相关研究现状和预期进展的资料， 与班上其他有兴趣的同学交流。【小结】发酵工程的应用在食品业中的应用：除了体现在酿造酒、醋、酱油等传统酿造业外，还用于生产调味品或发酵食品等。在医药业中的应用：主要包括生产各种抗生素、酶、氨基酸、激素和免疫制剂。在农业中的应用：生产生物农药、生物增产剂
11、、生物除草剂以及饲料添加剂等。在其他领域的应用：发酵工程的产物淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶在纺织、皮革制造、造纸等行业中都发挥着重要作用；发酵工程还可以应用于污水处理或沼气发酵等方面。【课堂小结】核心问题：什么是发酵工程？发酵工程的一般过程？发酵工程有哪些应用？【课堂检测】1某高校采用如图所示的发酵罐进行葡萄酒主发酵过程的研究，下列叙述错误的是（ B ）A夏季生产果酒时，常需对罐体进行降温处理B乙醇为挥发性物质，故发酵过程中空气的进气量不宜太大C正常发酵过程中罐内的压力不会低于大气压D可以通过监测发酵过程中残余糖的浓度来决定何时终止发酵2下列生活用品的生产，与发酵工程无直接关系的是（ B
12、）A 沼气 B 天然气 C 味精 D 啤酒3发酵工程是重要的生物工程技术，可以为人类提供多样的生物产品。发酵主要利用的是哪类生物的细胞 （ D ）A动物 B植物 C细菌 D微生物4菌种的选育是发酵工程的重要环节。菌种是指（ D ）A一种细菌或真菌的种子 B微生物的一个分类单位C发酵过程中产生的微生物 D用于获得微生物培养物的微生物5黑曲霉发酵可以产生木聚糖酶，该酶可以将木聚糖（植物细胞壁的主要成分之一）降解为木糖。木聚糖酶是一种很有应用价值的发酵产品，如图表示生产该酶的连续发酵装置。（1）根据物理性质，该发酵过程使用的培养基属于液体培养基。根据工艺流程可知，黑曲霉的新陈代谢类型属于异养需氧型。在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多级的扩大培养，当达到一定数量后再接种。（2）从发酵装置加料口输入的培养基必须经过严格的灭菌处理。根据图示可知，发酵过程需要严格控制温度、pH、溶氧量与搅拌速度等条件。（3）图示连续培养装置以一定的速度不断添加新的培养基，同时又以同样的速度放出旧的培养基，可大大提高生产速率，原因是简化了发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短了发酵周期。 9 / 9
