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(共34张PPT)
1.3 发酵工程及其应用
01 什么是发酵工程
02 发酵工程一般流程
03 发酵工程在生产上有哪些重要的价值
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。
1.发酵工程的基本环节
工业上，青霉素的产生按照发酵工程的基本环节进
行：首先进行青霉素生产菌高产菌种的选育；然后将高
产菌种进行扩大培养增加菌种数量，同时配制适合青霉素生产菌生长的培养基进行灭菌；在无菌条件下将大量优良高产菌种接种到培养液中，控制温度、pH、溶解氧等发酵条件进行发酵；发酵结束后进行青霉素的分离、提纯，就可以得到大量青霉素。
在工业上，青霉素是怎样生产的？
对发酵原理的认识
微生物纯培养技术建立
密闭式发酵罐成功设计
严格控制环境条件(温度、pH、溶解氧、压强、营养物、泡沫等)
大规模生产发酵产品
微生物的特定功能
现代工程技术
发酵工程：是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。
1.发酵工程的基本环节
环节 目的
菌种选育
性状优良菌种可从自然界筛选，也可通过诱变育种或基因工程育种获得。
1.发酵工程的基本环节
01
02
03
04
菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
06
07
08
发酵
产品的分离
提纯
1）若生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先分离出相应菌种，再用物理或化学的方法诱变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。
2）若生产的是微生物不能合成的产品，则可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品目的。
菌种特点：①对周围环境的温度、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。②有极强的消化能力。③有极强的繁殖能力。
环节 目的
扩大培养
工业发酵罐体积大(几十到几百立方米)，接种菌种总体积大(几立方米到几十立方米)，所以发酵前需对菌种多次扩大培养。
1.发酵工程的基本环节
01
02
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
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发酵
产品的分离
提纯
将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
增加菌种数量，缩短生产周期
1.目的:
2.方法:
环节 目的
培养基的配制
在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能确定。
1.发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
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发酵
产品的分离
提纯
1.类型:
2.要求:
发酵工程一般使用液体培养基
①根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。
②培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH，以利于产物的合成。
③应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。
环节 目的
灭菌
发酵工程所用大多为单一菌种，有杂菌污染影响产量，培养基和设备需严格灭菌
1.发酵工程的基本环节
01
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
产品的分离
提纯
因为杂菌将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。
1）在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。
2）在青霉素生产过程中混入杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。
环节 目的
接种、 发酵罐发酵
现代发酵工程的大型发酵罐有计算机控制系统，能对温度、PH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养进行监测和控制。还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵工程的中心环节，
1.发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产品浓度等，以了解发酵进程。
2.还要及时添加必需的营养组分，严格控制温度、PH和溶解氧等发酵条件。环境条件不仅影响微生物生长繁殖，还影响微生物代谢物的形成。
1.发酵工程的基本环节
01
02
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
产品的分离
提纯
发酵过程的影响因素：
微生物分解有机物释放的能量，一部分用于合成ATP，另一部分散发到培养基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。此外，发酵罐壁散热，水分蒸发会带走部分热量，使发酵温度降低。
通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整，用冷却水进行温度的调节
1.温度：
1.发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
产品的分离
提纯
2.溶解氧：
好氧型微生物：溶解氧要充足；
厌氧型微生物：严格的无氧环境
由发酵罐的通气口通气量来控制和搅拌速度加以调节
PH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时，培养液的pH就会下降；而碱性物质的消耗和氨的生成等则会导致培养液的pH上升。
通过加料装置添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加pH缓冲液。
3.PH值：
发酵过程的影响因素：
1.发酵工程的基本环节
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菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
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发酵
产品的分离
提纯
[特别提醒]　关于发酵罐使用的三点提醒：
(1)发酵罐在使用前要进行灭菌，培养基和发酵设备一般用蒸汽灭菌，空气采用过滤的方法除菌。
(2)对于需氧发酵，为了防止杂菌污染，应该从空气入口通入无菌空气。
(3)搅拌的作用
①使空气和发酵液充分混合，增加培养液中的溶解氧；
②使菌种与培养液充分接触，提高原料利用率。
发酵过程的影响因素：
1.发酵工程的基本环节
01
02
03
04
菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
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发酵
产品的分离
提纯
环节 目的
产品的分离、提纯
如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束后，采用过滤、沉淀方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。
如果产品是代谢物，可据产物性质采取适当提取、分离纯化措施来获得产品。
发酵过程的影响因素：
1.发酵工程的基本环节
01
02
03
04
菌种的选育
扩大培养
培养基的配制
灭菌
接种
05
06
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发酵
产品的分离
提纯
发酵产物不同分离提纯的方法也不同：
代谢产物：
菌体本身：
根据其性质采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行分离、提纯；
采用过滤、沉淀等方式进行分离、提纯
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？
(1)低成本的培养基上能迅速繁殖
(2)生产所需代谢物的产量高
(3)发酵条件易控制
(4)菌种不易变异，退化等
1.发酵工程的基本环节
2.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。发酵过程中产生的气体和废弃培养液需经过相应的净化设备，达到国家排放要求后才能排放到外界环境中。因为有些气体和废弃培养液对人和生物有害或对环境有毒害作用。
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，最后都需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
1.发酵工程的基本环节
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：
2.发酵工程的应用
大豆中蛋白
小分子肽和氨基酸
酱油
黑曲霉
淋洗、调制
各种谷物、水果
酿酒酵母
各种酒类
利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类
(一) 在食品工业上的应用
①生产传统的发酵产品
2.发酵工程的应用
直接由微生物发酵生产的有酸奶、豆腐乳、泡菜、酸菜等
利用黑曲霉发酵生产柠檬酸；
利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。
(一) 在食品工业上的应用
②生产各种各样的食品添加剂
2.发酵工程的应用
表1-2 常用的几种食品添加剂 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 乳酸链球菌素、溶菌酶
食品中添加发酵生产的食品添加剂有方便面、火腿肠、饼干、果冻、薯片等。
利用微生物发酵生产α 淀粉酶、β 淀粉酶、果胶酶、
脂肪酶和氨基肽酶等；目前已有50多种酶制剂用于食品生产。
(一) 在食品工业上的应用
③生产酶制剂
2.发酵工程的应用
酶制剂是指酶经过提纯、加工后具有催化功能的生物制品，主要用于催化生产过程中的各种化学反应。
淀粉酶主要用于面包生产中的面团改良、婴幼儿食品中的谷类原料的预处理、啤酒制造中用于糖化和分解淀粉、果汁加工中的淀粉分解和提高过滤速度，以及用于蔬菜、糖浆、怡糖、葡萄糖、粉状糊精等食品的加工制造。蛋白酶主要用于水解蛋白生产、肉类软化、啤酒抗寒、烘烤制品、干酪制造等。
啤酒的工业化生产流程
我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。主发酵结束后，发酵液还不适合饮用，要在低温、密闭的环境下储存一段时间进行后发酵，这样才能形成澄清、成熟的啤酒。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
消毒
终止
后发酵
啤酒的工业化流程
2.发酵工程的应用
(一) 在食品工业上的应用
啤酒的工业化生产流程
2.发酵工程的应用
(一) 在食品工业上的应用
注意说明
啤酒的工业化生产的五点提醒
（1）啤酒酵母菌：通过微生物培养技术筛选出的优良菌种，在接种前进行扩大培养，缩短生产周期。
（2）焙烤温度不能过高，防止淀粉酶失活。
（3）蒸煮后的糖浆一定要冷却后才能接种，防止高温杀死酵母菌。
（4）发酵过程中注意控制好温度、pH、通气、发酵时间等。
（5）接种前要对发酵罐进行灭菌，接种时要进行无菌操作，防止杂菌污染。
1.利用酵母菌进行酒精发酵过程中为什么要“先通气后密封”？
“通气”的目的是使酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，“密封”的目的是使酵母菌进行酒精发酵产生酒精。
2.啤酒生产中，发酵是重要环节，发酵后期，如果密封不严，会使啤酒变酸，你知道这是发生了什么变化吗？
醋酸菌是一种好氧菌，若发酵罐密封不严，酒精就会在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
2.发酵工程的应用
3.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。
4.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。
2.发酵工程的应用
1、采用基因工程的方法,将植物或动物的基因转移到 中,获得具有某种药物生产能力的微生物
(二) 医药工业上的应用
青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。
2.发酵工程的应用
3、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。
利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素
4、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。
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
2、直接对 进行改造,再通过发酵技术大量生产所需要的产品
微生物
菌种
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
(三) 在农牧业上的应用
2.发酵工程的应用
（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 、　 　 等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。
有机酸
生物活性物质
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。
（2）生产微生物农药。
微生物农药是利用　　 　或　　 　　来防治病虫害的。
微生物农药作为　　 　　的重要手段，
微生物
其代谢物
生物防治
微生物或生产出的药物 防治对象
苏去金芽孢杆菌 80多种农林虫害
白僵菌 玉米螟、松毛虫等
一种放线菌生产的抗生素——井冈霉素 水稻枯纹病
(三) 在农牧业上的应用
2.发酵工程的应用
（3）生产微生物饲料
蛋白质
微生物含有丰富的　　 　。
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 ，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
微生物菌体
青贮饲料中添加乳酸菌，提高饲料品质，使饲料保鲜，同时提高动物免疫力
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
1、解决资源短缺和环境污染问题
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质
2、对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
(四)在其他方面的应用
2.发酵工程的应用
1.请列举一下发酵工程在环境保护方面的其他应用。
提示：利用微生物发酵清理城市废弃物垃圾,利用发酵工程使烟气脱硫,还可以利用微生物工程除臭等。
1．发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。下列有关叙述错误的是(　　)
A．在发酵过程中，要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程
B．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
C．谷氨酸发酵在酸性条件下会积累谷氨酸
D．在发酵过程中，需要及时添加必需的营养组分
C
2．与传统的手工发酵相比，利用发酵工程所酿制的啤酒产量和质量明显提高，下列相关叙述不合理的是(　　)
A．通过基因工程对酿酒酵母进行选育的过程中，基因重组是所运用到的生物学原理之一
B．在发酵过程中的焙烤目的是加热杀死种子胚，但不使淀粉酶失活
C．啤酒工业化生产的糖化阶段，酵母菌将糖转化为酒精和CO2
D．啤酒生产过程中蒸煮产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌
C
3．下列关于发酵工程的说法，正确的是 (　　)
A．人工诱变、基因工程等都可对微生物进行定向改造
B．环境条件的变化不仅影响微生物的生长繁殖，也会影响微生物的代谢
C．发酵罐中微生物的生长繁殖、代谢产物的形成都与搅拌速度无关
D．单细胞蛋白是从微生物细胞中提取出来的
B
1.与传统发酵技术相比，发酵工程的产品种类更加丰富，产量和质量明显提高。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物、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。（ ）
(4)通过发酵工程可以从微生物细胞中提取单细胞蛋白。（ ）
×
√
√
×
发酵工程
特点：
①菌种纯、产量大、质量稳定；
②大规模生产、高度自动化控制
传统发酵技术
①混合菌种
②固体发酵、半固体发酵
③家庭式、作坊式制作
二、拓展应用
1.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料，并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。
(1)青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？(提示:血红蛋白具有携带O2的能力)
可以用基因工程的方法，将血红蛋白基因转入青霉素生产菌来提高菌体对氧的吸收和利用率。
(2)在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用分别合成两个产物。如何改造青霉素生产菌使其只生产生青霉素，或者只产生头孢霉素呢？
可以对两种酶的基因进行改造或敲除其中一种酶的基因，从而使青霉素生产菌只生产一种产物。
2.通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。调查显示，使用乙醇汽油与使用普通汽油相比，排放到空气中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人认为燃料乙醇“可再生”；但也有人认为，生产燃料乙醇需要消耗大量粮食，会增加粮食短缺的风险。请你尝试通过查阅资料，评估这一风险，并说明在生产时应如何规避这风险。
存在风险。在生产燃料乙醇时，为了规避这一风险，应该使用陈化粮食(如陈化的稻谷等)或者非粮食生物材料(如秸秆等)。使用陈化粮食来生产燃料乙醇，还有利于防止问题粮食流入市场。

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