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1.3 发酵工程及其应用
问题：在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
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。
一、发酵工程
1、发酵工程：
2、基本环节
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。
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
二、发酵工程的基本环节
（1）目的:
1、选育菌种
筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸；
（4）实例：
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，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生产发酵产物的成败。
（3）菌种选育的重要性（意义）：
自然界中筛选、诱变育种或基因工程育种。
（2）菌种来源：
获得性状优良的菌种。
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程，缩短生产周期。
2、扩大培养
（1）目的:
一般为液体培养基。
（3）扩大培养的培养基：
工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大。
（2）原因：
获得更多的菌种
二、发酵工程的基本环节
二、发酵工程的基本环节
（1）配制要求
3、培养基的配制、灭菌
避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量
（3）灭菌目的：
发酵工程种所用的菌种大多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低。
（2）灭菌原因：
②在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定（即不断优化培养基）；
①在菌种确定之后，（结合菌种代谢特点）选择原料制备培养基；
（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。
4、接种：
装置编号 主要用途
A1-A3
A4
B1-B5
C1、C2
C3
D1、D2
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，B2处抽取样品进一步检测
通过控制冷水流速调节罐温
调节罐压
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
将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
二、发酵工程的基本环节
4、接种：
将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
二、发酵工程的基本环节
均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、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。
现代发酵工程使用的发酵罐的优点：
（1）地位：
（4）不同发酵条件的影响（实例——谷氨酸发酵）
5、发酵罐内发酵
二、发酵工程的基本环节
②在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
①在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。
①环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；
（3）严格控制发酵条件的原因：
②要及时添加必需的营养物质，要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。
①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；
（2）要求：
发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。
（1）目的：
6、产品的分离、提纯
二、发酵工程的基本环节
②发酵产品是代谢物时，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。
①发酵产品是微生物细胞本身时，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。
（3）采取手段
②代谢物。
①微生物细胞本身；
（2）产品的两种形式
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）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。
【思考·讨论 】发酵工程基本环节分析
④菌种不易变异、退化等。
③发酵条件容易控制；
②生产所需代谢物的产量高；
（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。
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检査，合格后才能成为正式产品。
（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？
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。
不能。
①生产条件温和；
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。
三、发酵工程的应用
发酵工程的优点
④废弃物对环境的污染小和容易处理。
③产物专一；
②原料来源丰富且价格低廉；
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
1、在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵产品：如酱油、各种酒类等。
【思考 · 讨论 】啤酒的工业化生产流程
啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的；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；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
1
2
焙烤
3
碾磨
4
糖化
大麦
水
糖化罐
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。
淀粉水解形成糖浆。
蒸煮
5
6
发酵
7
消毒
8
终止
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。
过滤、调节、分装啤酒进行出售。
糖浆
啤酒花
过滤
冷却
装瓶
装罐
储存罐
（1）与传统的手工发酵相比，在上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。
（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。

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