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第1章 发酵工程
第3节 发酵工程的应用
青霉素
是世界上第一个应用于临床的抗生素。
问题：你知道青霉素的历史吗？
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。
从社会中来
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。
早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到
一根金条
如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂
一元
问题：那么，在工业上青霉素究竟是怎样生产的呢？
从社会中来
微生物纯培养技术的建立
密闭式发酵罐的设计成功
人们对发酵原理的认识
发酵工程形成
发酵工程：是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
问题：发酵工程基本环节是什么？
一. 发酵工程的形成
发酵工程视频欣赏（视频）
二. 发酵工程的基本环节
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。
扩大培养
灭菌
配制培养基
接种
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
生产微生物直接合成的产物
生产微生物不能合成的产品
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。
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。
问题：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？
怎样才能得到优良菌种？
二. 发酵工程的基本环节
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？
问题：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？怎样才能得到优良菌种？
①在低成本的培养基上能迅速生长繁殖
②生产所需代谢物的产量高
③发酵条件容易控制
④菌种不易变异、退化等
二. 发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
灭菌
配制培养基
接种
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。
柠檬酸
啤酒
味精
青霉素
黑曲霉
啤酒酵母
黄青霉
谷氨酸棒状杆菌
二. 发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
灭菌
配制培养基
接种
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
问题：扩大培养目的是什么？怎样对菌种进行扩大培养？
（1）将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
问题：扩大培养所用的培养基，从性质上分类，是什么类型的培养基？
发酵工程一般使用液体培养基
（2）增加菌种数量，缩短生产周期
二. 发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
灭菌
配制培养基
接种
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
（1）在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。应
包括微生物生长所需的碳源、氮源、水、无机
盐及特殊营养要求。
（2）生产实践中，培养基配方要经过反复实验才能
确定（即不断优化培养基）
问题：配制培养基需要考虑哪些因素？
二. 发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
灭菌
配制培养基
接种
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
问题：为什么要灭菌？
②②
①发酵工程所用的菌种大多数是单一菌种。
②灭菌的原因分析：
杂菌与菌种之间形成的种间竞争关系使产量下降或杂菌产生的代谢物抑制菌种的生长使产量下降。
④实例：
在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，杂菌分泌青霉素酶就会将青霉素分解掉。
③灭菌的目的：
防止杂菌污染而影响产品的质量和品质。
二. 发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
灭菌
配制培养基
接种
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
将____________的菌种投放到________中
发酵罐
扩大培养后
二. 发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
灭菌
配制培养基
接种
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
发酵工程的中心环节
实例：谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
监控要点一
监控要点二
监控要点三
要在发酵过程中随时取样，检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。
及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。
严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件，已获得所需的发酵产物。
二. 发酵工程的基本环节
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
温度传感器及控制装置
冷却水进入口
阀门
空气入口
放料管
生物传感器装置
搅拌叶轮
发酵液
冷却夹层
冷却水排出口
pH计
排气管
电动机
发酵罐示意图
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
控制溶解氧含量
不断搅拌的目的：
①使菌种与发酵液混合均匀，提高原料利用率；
②加快O2的溶解以及散热。
二. 发酵工程的基本环节
选育菌种
扩大培养
灭菌
配制培养基
接种
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
②②
发酵产物类型 获得产品的方法
微生物细胞
代谢物
过滤、沉淀等方法
适当的提取、分离和纯化措施
分离、提纯产物的方法措施：
二. 发酵工程的基本环节
问题：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、过滤等方法来分离提纯产物。
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、吸附或离子交换等方法；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。
二. 发酵工程的基本环节
问题：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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。
二. 发酵工程的基本环节
（一）优点：
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
（二）运用：
医药
其他
食品
农牧
三. 发酵工程的运用
生产传统的发酵产品
1. 在食品工业上的应用
利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母发酵生产各种酒类：
酱油
大豆中蛋白质
小分子肽和氨基酸
黑曲霉
淋洗、调制
谷物、水果
酿酒酵母
酒类
酒精+CO2
三. 发酵工程的运用
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
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成
在低温、密闭的环境下储存一段时间
三. 发酵工程的运用 思考·讨论—— 啤酒的工业化生产流程
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
冷却
大麦种子发芽，释放淀粉酶。
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活。
将干燥的麦芽碾磨成麦芽粉。
淀粉分解，形成糖浆。
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌。
酵母菌将糖转化为酒精和CO2。
杀死啤酒中的大多数微生物，延长它的保存期。
消毒
终止
后发酵
过滤
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
思考·讨论—— 啤酒的工业化生产流程
②烘烤
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活
思考·讨论—— 啤酒的工业化生产流程
问题：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。
思考·讨论—— 啤酒的工业化生产流程
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。
问题：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？
思考·讨论—— 啤酒的工业化生产流程
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
三. 发酵工程的运用
生产传统的发酵产品
1. 在食品工业上的应用
生产各种各样的食品添加剂
②实例1——柠檬酸
③实例2——味精
增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期
淀粉
淀粉酶
黑曲霉
葡萄糖
柠檬酸合成酶
柠檬酸
谷氨酸棒状杆菌
发酵
氧气
谷氨酸
处理
味精
三. 发酵工程的运用
添加剂的类型 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
常用的几类食品添加剂
三. 发酵工程的运用
生产传统的发酵产品
1. 在食品工业上的应用
生产各种各样的食品添加剂
生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶、脂肪酶等
①产品：
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
③来源：
少数由动植物生产，
大多数通过发酵工程生产
②应用：
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量等方面。
三. 发酵工程的运用
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
动植物的基因
转入
微生物
直接改造微生物
病原体的抗原基因
转入
微生物
发酵工程
药物
药物
疫苗
2. 在医药工业上的应用
三. 发酵工程的运用
人们可以采用基因工程等的方法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。
改造菌种
02
人们可以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;
工程菌
01
科学家还利用基因工程，将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用
疫苗
03
利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素
未来可能用微生物来生产过去只能从植物中提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物
将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产疫苗
问题:阅读课本26页第2-3段，明确发酵工程在医药工业上有哪些应用？
2. 在医药工业上的应用
三. 发酵工程的运用
2. 在医药工业上的应用
生产微生物肥料
利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
3. 在农牧业上的应用
02
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
三. 发酵工程的运用
生产微生物肥料
3. 在农牧业上的应用
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
微生物或代谢产物 防治病虫害种类
苏云金杆菌 80多种农林虫害
白僵菌 玉米螟、松毛虫
一种放线菌产生的抗生素 —井冈霉素 水稻枯纹病
生产微生物农药
三. 发酵工程的运用
项目 微生物农药防治 化学农药防治
防治机理
优点
缺点
利用微生物或代谢物进行防治
成本低、无污染，可以维持生态平衡
防治速度慢
利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治
见效快，操作简单
成本高，污染环境，不利于维持生态平衡
微生物农药防治和化学农药防治的比较
三. 发酵工程的运用
3. 在农牧业上的应用
生产微生物农药
生产微生物肥料
3. 在农牧业上的应用
微生物含有丰富的　　　
蛋白质
实例1——单细胞蛋白
许多国家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。
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。
应用——食品添加剂、微生物饲料
生产微生物饲料
三. 发酵工程的运用
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
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂；嗜低温菌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
4. 在其他方面的应用
对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用
三. 发酵工程的运用
(1)发酵工程的中心环节是对微生物细胞本身或其代谢物进行分离、提纯(　　)
(2)谷氨酸的发酵生产在酸性条件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺(　　)
(3)现代发酵工程中所用的菌种大多是复合菌种以提高生产效率(　　)
(4)发酵工程生产条件温和、原料来源丰富，但废弃物对环境污染很大，不易处理(　　)
(5)生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌(　　)
×
√
判断正误 P17
×
×
×
1.(多选)(2023·江苏盐城高二期末)发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，下列说法正确的是
典题应用 P18
A.①为诱变育种，②为萃取(或蒸馏或离子交换等)
B.赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续
培养的发酵方式
C.由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通
氧量
D.人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件
√
√
√
2.下列有关发酵工程的叙述，正确的是
A.单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质
B.可通过诱变育种、基因工程等方法选育出性状优良的菌种进行扩大培养
C.发酵工程与传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵
D.通常所指的发酵条件包括温度、溶解氧、pH和酶的控制等
√
课堂小结
下节课见！

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