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第1章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
什么是发酵工程？
发酵工程的一般流程是什么？
本节聚焦
1
2
3
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。
在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢
亚历山大·弗莱明
英国1881-1955
青霉素之父
1945年获诺贝尔生理学医学奖
从社会中来
提示：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。
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
从社会中来
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
概念
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。
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
生产味精
黑曲霉
啤酒酵母
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
配制培养基
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
01
（1）常用菌种：主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌等。
（2）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。
（3）菌种的来源：①从自然界中筛选出优良菌种。②利用诱变育种筛选出符合生产要求的优良菌种。③利用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，构建出能生产相应产品的菌种。
01
发酵工程的基本环节
选育菌种
工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，在进行接种前，要对菌种进行扩大培养。
（1）目的：增加菌种的数量，缩短生产周期。
（2）方法：将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
01
发酵工程的基本环节
扩大培养
（1）类型：发酵工程一般使用液体培养基。
（2）要求：
①根据菌种的代谢类型，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。
01
发酵工程的基本环节
配制培养基
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，培养基和发酵设备必须经过严格的灭菌，接种过程中要注意防止杂菌污染。
01
发酵工程的基本环节
灭菌和接种
计算机控制系统
温度、pH、溶解氧、灌压、通气量、搅拌、泡沫和营养等
微生物数量、产物浓度
及时添加必需的营养组分
使发酵过程处于最佳状态
监测
控制
检测
微生物的生长繁殖和代谢物的形成
影响
发酵条件
01
发酵工程的基本环节
发酵罐内发酵
注意说明
通过发酵罐对发酵条件进行控制
（1）温度：通过发酵罐上的温度传感器和控制装置进行监测和调整。
（2）溶解氧：通过通气量和搅拌速度加以调节。
（3）pH：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。
发酵产品 分离、提纯方法
微生物细胞 通过过滤、沉淀等方法将菌体分离、干燥
代谢物 蒸馏、萃取、离子交换等方法
分离、提纯产物；获得产品
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。
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和溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养组分。
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
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。
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。要进行二次清洁或灭菌处理后才能排放。
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。
思考·讨论
发酵工程基本环节分析
发酵工程的应用
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
02
利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类：
(1)在食品工业上的应用
生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。
生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶等。
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
发酵工程的应用
02
生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。
生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶等。
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
发酵工程的应用
(1)在食品工业上的应用
02
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
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
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。
啤酒的工业化流程
思考·讨论
思考·讨论
啤酒的工业化生产流程
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。
啤酒的工业化生产流程
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。
思考·讨论
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。
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
通过发酵技术大量生产所需要的产品
直接对菌种进行改造
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
基因工程
将病原体的抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物作为疫苗
可能用微生物来生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物
未来
发酵工程的应用
(2)在医药工业上的应用
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。
生产微生物农药
生产微生物肥料
生产微生物饲料
有机酸
生物活性物质
利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
发酵工程的应用
(3)在农牧业上的应用
02
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
生产微生物农药
生产微生物肥料
生产微生物饲料
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多种农林害虫
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
发酵工程的应用
(3)在农牧业上的应用
02
微生物含有丰富的　　　。
生产微生物农药
生产微生物肥料
生产微生物饲料
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 ，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
发酵工程的应用
(3)在农牧业上的应用
02
对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用
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
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
发酵工程的应用
(4)在其他方面的应用
02
课堂小结
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。（ ）
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练习与应用
一、概念检测
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。
练习与应用
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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