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(共33张PPT)
1.4 发酵工程及其应用
事实：
1．大肠杆菌是原核生物，细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20～30 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。
积极思维：大肠杆菌的繁殖有多快？
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。
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？
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积极思维：大肠杆菌的繁殖有多快？
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。
二、发酵工程的一般过程
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。
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。
1.发酵工程的概念
2.发酵工程的基本环节
接种
菌种选育
配制培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
原料预处理
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）灭菌
发酵工程所用的菌种大多是选育的高产的单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。
培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
对通入的空气进行灭菌，对生产环境需进行消毒处理。
(4)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。菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。
自然选育
诱变育种
基因工程育种
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。
筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期；
(4)菌种选育和扩大培养
将菌种扩大培养才能满足大规模生产的需要。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。
种子罐
扩大培养
（5）发酵生产
①发酵罐
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。
要对设备和培养基严格灭菌；
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；
要及时添加必需的培养基组分，以满足菌种的营养需求；
要严格控制温度、pH、溶氧等环境因素。
②发酵条件
（6）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。
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。
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。
3.发酵工程的种类
1.分析：尝试推测单细胞微生物生长曲线形成的原因。
2.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）。
学生活动
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。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。
1.分析：尝试推测单细胞微生物生长曲线形成的原因。
2.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。
从自然界分离青霉菌种
基因工程
诱变育种
生产用菌种
扩大培养
发酵罐
培养基配制
青霉素
原料
接种
灭菌
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。
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。
方式
单罐连续发酵和多罐连续发酵等方式。
优点
（2）连续发酵：
1.发酵工程的优点：
①生产条件温和；
②原料来源丰富且价格低廉；
③产物专一；
④废弃物对环境的污染小和容易处理。
因此，发酵工程在食品工业、医药工业、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。
三、发酵工程应用广泛
产品类型 主要产物
微生物菌体细胞 酵母菌、食用菌、微生物农药
微生物酶类 各种酶、酶制剂和各种曲类
微生物代谢产物 初级代谢产物，如氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白质、核酸和维生素；次级代谢产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物
微生物转化产物 利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系，将一种化合物转化成含有特殊功能基团的产物。例如，将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，将甾体转化成甾体激素
工程菌发酵产物 通过基因工程和细胞工程创造出许多具有特殊功能的“工程菌”，用发酵技术生产更多更好的产品，发挥更大的经济效益
动植物细胞的产物 通过大规模培养木瓜细胞，生产木瓜蛋白酶；利用植物细胞培养技术生产天然食用色素等
2.发酵工程产品的主要类型
（1）在食品工业上的应用
①生产传统的发酵食品
如：用大豆来生产酱油产品。谷物或水果生产各种酒类。
大豆
（蛋白质)
黑曲霉
（蛋白酶）
小分子的肽和氨基酸
酱油
淋洗、调制
谷物或水果
酿酒酵母
酒类
3.发酵工程应用的领域
②生产食品添加剂
添加了柠檬酸的饮料
增加食品的营养
改善食品的口味、色泽和品质
延长食品的保存期
食品添加剂的作用
③生产酶制剂
食品直接生产
改进生产工艺
简化生产过程
改善产品的品质和口味
延长食品储存期
提高产品产量
酶制剂的作用
α-淀粉酶
β-淀粉酶
果胶酶
脂肪酶
氨基肽酶
… …
酶制剂
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的
抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
（2）在医药工业上的应用
①生产微生物肥料
利用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。
有的微生物肥料抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
常见微生物肥料：
根瘤菌肥、固氮菌肥
②生产微生物农药
微生物农药的作用机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害。
（3）在农牧业上的应用
如：利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、
利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫，
一种放线菌产生的抗生素-井冈霉素可防治水稻枯纹病。
③生产微生物饲料
原理：
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
实例1——单细胞蛋白
以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白；
单细胞蛋白应用：
单细胞蛋白生产过程：
食品添加剂、微生物饲料；
单细胞蛋白成分：
不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质
实例2-乳酸菌
在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质，以后我老牛是不是吃点微生物菌体就可以健康地活下去呢
①解决资源短缺与环境污染问题
随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功
②将极端微生物应用于生产实践
自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂。
（4）在其他方面的应用
1．下列生活用品的生产，与发酵工程无直接关系的是 （ ）
A．沼气 B．天然气
C．味精 D．啤酒
2．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 （ ）
A．动物 B．植物
C．细菌 D．微生物
B
D
3．菌种的选育是发酵工程的重要环节。菌种是指（ ）
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
D
4．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（ ）
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
B
5．下列关于发酵过程的叙述，错误的是 (　　)
A．对培养基灭菌是发酵生产中的一个很重要的环节
B．随时检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、溶氧量、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相同的
D

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