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发酵工程及其应用
概述发酵工程及其基本环节。
举例说明发酵工程在生产上有重要的应用价值。
学习目标
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素,它的价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等,青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢
从社会中来
青霉素生产工艺流程图
一、发酵工程的基本环节
.发酵工程的基本环节包括：选育菌种→扩大培养→配置培养基→ 灭菌 →接种→发酵罐内发酵→分离、提纯产物→获得产物。
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：这是发酵工程的中心环节。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组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢物的形成。现代发酵工程使用的大型发酵罐均有计算机控制系统，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；还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
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。
思考 讨论
发酵工程基本环节分析
分析和讨论以下问题。
1.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。
2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要
要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
3.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。
4.在进行发酵生产时,排出的气体和废弃培养液等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。
补充：帮助解决粮食问题，如利用纤维素降解菌将纤维素降解获得葡萄糖。
二、发酵工程的应用
发酵工程的应用:发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境污染小和容易处理等特点,在食品工业、医药工业和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。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。(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。
思考 讨论
1.与传统的手工发酵相比,在啤酒的发酵生产过程中,哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高
菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等,都有助于提高啤酒的产量和品质。
2.现在市面上流行一种"精酿"啤酒,它的制作工艺与普通啤酒有所不同,如一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理 等。有人认为饮用"精酿"啤酒比饮用"工业"啤酒更健康,你怎么看待这个问题 "精酿"啤酒是小规模酿造产品,发酵时间长、产量低和价格高,却依然有着市场需求,我们如何辩证地看待大规模生产与小规模制作
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点。能够满足一些人对独特口感的需求，或者满足一些人的时尚追求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的。存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
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2．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。
基于发酵工程技术，开发了种类繁多的药品，如人类生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素-2、抗血友病因子等，利用真菌大规模生产青霉素等。另外，目前全球使用的抗癌药物中，有50%直接或间接来自微生物。
3．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。
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(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，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
4、在能源工业上的应用
乙醇是一种生产工艺成熟、生产原料来源广泛的替代能源,越来越受到人们的青睐。利用微生物发酵获得燃料酒精可缓解能源短缺的问题。
典例精讲
解析：单细胞蛋白是通过发酵工程获得的微生物菌体，而不是从微生物中提取单细胞蛋白。
答案：C
C
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2．关于啤酒生产的流程说法错误的是(　　)A．让大麦种子发芽的目的是释放淀粉酶B．焙烤发芽的大麦种子时，淀粉酶丧失活性C．糖化的目的是让淀粉分解D．蒸煮时终止了酶的作用，并对糖浆进行灭菌
解析：
焙烤发芽的大麦种子是杀死大麦种子，但不能使淀粉酶丧失活性。
答案：B
B

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