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第三节 发酵工程及其应用
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，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，一瓶规格160万单位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？
选育高产菌种
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
发酵工程形成的条件
随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的成功设计，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成。
发酵工程的应用
发酵工程与农业、食品工业、医药工业及其他工业生产有着密切的联系。
一、发酵工程的基本环节
1、发酵工程的基本环节
2、思考讨论
1、发酵工程的基本环节
发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。
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。
发酵工程的基本环节分析
结合图1-9，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。
发酵工程的基本环节分析
结合图1-9，分析和讨论以下问题。
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。
发酵工程的基本环节分析
结合图1-9，分析和讨论以下问题。
4 .在进行发酵时，排出的气体和发起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。
旁栏思考（p22）：某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？
提示：我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节很大程度上决定了生产发酵产品的成败。
二、发酵工程的应用
1、发酵工程的特点
2、在食品工业上的应用
3、在医药工业上的应用
4、在农牧业上的应用
5、在其他方面的应用
（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以及容易处理。
1、发酵工程的特点
第一，生产传统的发酵食品。
例如，用大豆来生产酱油产品；谷物或水果生产各种酒类。
2、在食品工业上的应用
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
第二，生产各种各样的食品添加剂。
食品添加剂不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。许多食品添加剂都通过发酵工程生产。
实例，柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得；由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理就能制作味精。
2、在食品工业上的应用
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 乳酸链球菌素、溶菌酶
第三，生产酶制剂。
常用的酶制剂如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
目前，已有50多种酶制剂成功用于食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等方面。
这些酶制剂除少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。
2、在食品工业上的应用
啤酒的工业化流程
选择培养基配方的设计
讨论：
1.与传统的手工发酵相比，在下面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。
讨论：
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。
选择培养基配方的设计
3、在医药工业上的应用
近些年来，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。
采用基因工程的方法,将植物或动物的基因转移到微生物中,获得具有某种药物生产能力的微生物；或者直接对菌种进行改造,再通过发酵技术大量生产所需要的产品。如利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激。未来可能用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等。
3、在医药工业上的应用
利用基因工程将病原体的抗原基因转入微生物细胞，制成生物疫苗。如一种生产乙型肝炎疫苗的方法就是将乙型肝炎病毒的抗原基因传入酵母菌，再通过发酵生产。
第一，生产微生物肥料。
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，促进植物生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
4、在农牧业上的应用
第二，生产微生物农药。
与传统的化学农药不同，微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。
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。
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。
4、在农牧业上的应用
第三，生产微生物饲料。
微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细胞干重的 60%~80% ,而且细菌生长繁殖速度很快。
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。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可以作为食品添加剂使家畜、家禽增重快；用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家禽或家畜产奶或产蛋量显著提高。
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。
4、在农牧业上的应用
5、在其他方面的应用
（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。
例如嗜热菌、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，在助力解决粮食、环境、健康和能源等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
到社会中去
1.列出你昨天一天的食谱，看看那些食品是直接由微生物发酵产生的？那些食品中添加了经发酵生产的食品添加剂？
2.当地是否有发酵生产企业？如果有，请进行以下调查活动：
（1）咨询当地政府管理部门，了解以下信息：这些企业的年产值是多少？占当地国民生产总值的比例是多少？提供了多少就业岗位？
（2）你的家人和朋友是否有正在从事分解工业生产的，如果有，咨询以下问题：他们所在公司目前生产那些分解产品？经济效益如何？该行业遇到的主要困难是什么？要解决这些困难，对分解技术提出了那些新要求？
帮范儿
再会

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