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问题情境
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？
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、
提纯产物
获得产品
第三节 发酵工程及其应用
1.什么是发酵工程？
2.发酵工程的一般流程是什么？
3.发酵工程在生产上有哪些重要的价值？
发酵工程
发酵工程
指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。 它涉及菌种的选育和培养，产物的分离和提纯等方面。（教材章前语）
大规模生产发酵产品
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐设计成功
严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
微生物的特定功能
现代化工程技术
发酵工程基本环节
选育菌种
扩大培养
接种
灭菌
配制培养基
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
发酵工程的基本环节和发酵罐示意图
发酵工程基本环节
在青霉素生产过程中如果有杂菌污染，某些杂菌会分泌青霉素酶，将青霉素分解掉。
生产柠檬酸
生产啤酒
生产青霉素
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
黄青霉
谷氨酸
棒状杆菌
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。
接种
选育菌种
制备培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
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。
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
发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，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。
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。
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
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微生物的数量、产物的浓度等，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。
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，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提取、分离和纯化措施来获得产品。
发酵工程基本环节
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
阀门
放料管
编号 主要用途
A区
B区
C区
D区
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程。
取样器也可以通过取样判断发酵状态和程度。
通过控制冷水流速调节罐温
电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。
发酵工程基本环节
概念检测
与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质粒明显提高。判断下列相关表述是否正确。
（1）发酵工程与传统发酵技术最大的区别就是前者可以利用微生物来进行发酵。
（ ）
（2）发酵工程的产品主要包括微生物的代谢、酶及菌体本身。（ ）
（3）在发酵工程的发酵环节中，发酵条件变化不仅会影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢途径。（ ）
×
√
√
发酵工程的基本环节
3. 右图是发酵工程常用的发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题。
(1)在发酵前，需用 法对整个发酵罐进行灭菌 ，为保证该过程的实施，整个发酵罐必须是 的。
(2)在发酵过程中，电动机不停带动搅拌叶轮转动，这样做的目的是 。
(3)冷却水是为了带走微生物进行 产生的热量，以维持发酵液温度的稳定，若温度过高，会影响微生物 ，导致不能产生相应代谢产物，甚至死亡。
高压蒸汽灭菌
密封
让微生物与营养物质充分接触，以保证微生物的营养供应
细胞呼吸
酶的活性
电动机
排气管
pH计
冷却水排出口
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮
生物传感器装置
空气入口
放料管
阀门
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
发酵工程的应用
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。
产物专一
生产条件温和
原料来源丰富且价格低廉
废弃物对环境污染小且容易处理
发酵工程的特点
在食品工业上的应用
在医药工业上的应用
在农牧业上的应用
在其他方面的应用
发酵工程的应用
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
①生产传统发酵产品
酱油
大豆(主要原料)
黑曲霉
(蛋白酶)
小分子肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
各种酒类的生产
发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
发酵工程的应用
发芽
1
2
焙烤
3
碾磨
4
糖化
蒸煮
5
6
发酵
7
消毒
8
终止
主发酵
后发酵
酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。
在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。
发酵工程的应用
类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒
原料
是否添加食品添加剂
麦芽汁浓度
发酵时间
特点
只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
较高，口味浓郁
较低，口味清淡
长，可达2个月
短，通常7天左右
产量低、价格高
产量高、价格低
发酵工程的应用
某酒厂以大米为主原料，利用席母南发牌生产活精度不低于12度的米酒，其主要工艺流程如下:
试就生产过程回答下列问题。
(1)糖化阶段主要包括蒸煮大米及加人“糖化酶"等，“糖化酶”应包括的主要酶类
有 ，糖化酶使(大米中)淀粉发生的主要变化
是 。
(2)发酵阶段主要在5 m3的发酵罐中进行，主要工艺为：加料(糖化后的米浆)→接种菌种(主要为酵母菌)→通气培养→密封发酵。
①接种后通气培养的主要目的是 。
在接种时常加入尿素或其他氮肥，其目的是 。
②"密封”的目的是 。
淀粉酶和麦芽糖酶
淀粉→麦芽糖酶→葡萄糖
使酵母菌呼吸作用旺盛、能量充足而迅速繁殖
提供菌种生长所需要的氮元素
造成缺氧环境，让酵母菌进行发酵
糖化
发酵
后加工（勾兑、储运等）
发酵工程的应用
某酒厂以大米为主原料，利用席母南发牌生产活精度不低于12度的米酒，其主要工艺流程如下:
试就生产过程回答下列问题。
(3)在酿酒业中,为了保持酒的风味不变，应让酵母菌进行 (填“无性生殖”或“有性生殖”)，这是利用了 ；为了研制新酒，应让酵母菌进行 (填“无性生殖”或“有性生殖”)，这是利用了
。
无性生殖
无性生殖能保持亲本性状的稳定性
有性生殖后代有较大的变异性
有性生殖
糖化
发酵
后加工（勾兑、储运等）
发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
②生产各种各样的食品添加剂
添加剂类型 举例
酸度调节剂 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
增味剂 5`-肌苷酸二钠、谷氨酸钠
着色剂 β-胡萝卜素、红曲黄色素
增稠剂 黄原胶、β-环状糊精、结冷胶
防腐剂 乳酸链球菌、溶菌酶
增加食品的营养
延长食品的保存期
改善食品的口味、色泽和品质
淀粉
淀粉酶
葡萄糖
黑曲霉
柠檬酸
柠檬酸合成酶
谷氨酸棒状杆菌
发酵
谷氨酸
味精
处理
氧气
发酵工程的应用
③生产酶制剂
酶制剂：
从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
分 类：
胞内酶和胞外酶
特 点：
易于工业化生产，便于改善工艺、提高质量。
举 例：
果胶酶；脂肪酶；α-淀粉酶；β-淀粉酶；氨基酸肽酶
1.在食品工业上的应用
发酵工程的应用
2.在医药工业上的应用
①发酵工程生产的药物
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
①发酵工程生产的药物的方法
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
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
微生物肥料的原理
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、增强植物抗病性和抗逆性。
利用微生物代谢物抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的的发生。
常见微生物肥料：
根瘤菌肥、固氮菌肥
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
②生产微生物农药
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
常见微生物农药：
苏云金杆菌(Bt毒蛋白): 防治80多种农林害虫
白僵菌(真菌): 防治玉米螟、松毛虫
放线菌 (井冈霉素): 防治水稻枯纹病
拓展
微生物农药防治与化学农药防治的比较
项目 微生物农药防治 化学农药防治
防治机理 利用微生物或其代谢物来防治虫害 利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂等）进行防治
优点 成本低、无污染、可以维持生态平衡 见效快，操作简单
缺点 防止速度慢 成本高、污染环境，不利于维持生态平衡
发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
③生产微生物饲料
微生物饲料：
以微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白、生物活性小肽类氨基酸、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵饲料。
单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体。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。
常见微生物饲料：
青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
发酵工程的应用
4.在其他方面的应用
a.利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。
解决资源短缺与环境污染问题。
b.极端微生物的利用
嗜热菌、嗜盐菌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
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决　 和　　 等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
粮食、
环境、健康
能源

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