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第1章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
学习目标
01
发酵工程的概念及基本环节
①概念
②基本环节
02
发酵工程的应用
①在食品工业上的应用:
生产传统的发酵产品/食品添加剂/酶制剂
*啤酒的工业化生产流程
②在医药工业上的应用
③在农牧业上的应用:生产微生物肥料/农药/饲料
④在其他方面的应用
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。
思考: 在工业上，青霉素是怎样生产的？
从社会中来
传统发酵技术
发酵工程
利用天然存在的菌种，菌种差异、杂菌情况不明，
发酵过程的控制缺乏标准，发酵食品的品质不一。
缩短发酵时间，确保品质稳定
微生物培养，筛选单一菌种，再接种到物料中发酵
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。
发酵工程
发酵工程的概念
发酵工程的基本环节
1、随着人们对 的认识， 技术的建立，以及 的
设计成功，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。
发酵原理
微生物纯培养
密闭式发酵罐
2、发酵工程的环节：
选育菌种
扩大培养
配制培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
(中心环节)
分离提纯产物
获得产品
发酵工程的基本环节
选育菌种
来源:
①从自然界筛选
②通过诱变育种或基因工程育种获得
扩大培养
实例:
a.生产柠檬酸就需要筛选产酸量高的黑曲霉。
b.在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。
要求：性状优良的菌种
需要考虑的因素包括：
a.在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
b.生产所需代谢物的产量高；
c.发酵条件容易控制；
d.菌种不易变异、退化等。
工业发酵罐接种量大，发酵之前需对菌种进行扩大培养
目的:增加菌种的数量,缩短生产周期
方法:将培养到生长速度最快时期的菌体分开再进行培养.
发酵工程的基本环节
配制培养基
确定菌种后，选择原料制备培养基，培养基配方常需要反复实验才能确定。
要求:
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。
类型:一般用液体培养基
灭菌
原因:发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量下降。
要求:培养基和发酵设备都必须灭菌
实例:在青霉素生产过程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌青霉素酶将青霉素分解掉。
发酵工程的基本环节
接种
发酵罐内发酵
(中心环节)
方法:平板划线法和稀释涂布平板法
这是发酵工程的中心环节。
①了解发酵进程：随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等。
②及时添加必需的营养组分。
③严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
通气量、搅拌速度、罐压
原因：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。
同种微生物生长繁殖所需的最适温度和积累代谢物所需的最适温度往往不同。
同一微生物由于培养环境pH不同，可能会积累不同的代谢物。
实例:谷氨酸的发酵生产中，谷氨酸棒状杆菌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。
现代发酵工程使用的发酵罐均有计算机控制系统，能对发酵过程进行检测和控制；
还可以进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵工程的基本环节
分离提纯产物
①产品是微生物细胞：采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥即可
②产品是代谢物：根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施获得产品
思考讨论:
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？
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。
在发酵工程：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
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：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。
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。
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。
发酵工程的优点
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
发酵工程的特点
发酵工程的应用①在食品工业上的应用
①生产传统发酵产品
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
发酵工程的应用①在食品工业上的应用
啤酒的工业化生产流程
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。
发酵工程的应用①在食品工业上的应用
啤酒的工业化生产流程
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
冷却
过滤
装瓶
装罐
储存罐
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
消毒
终止
加啤酒花
冷却
接种
过滤
主发酵
后发酵
酵母菌繁殖，大部分糖分解和代谢物生成。
在低温、密闭的环境下储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。
发酵工程的应用①在食品工业上的应用
啤酒的工业化生产流程
思考:与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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。
发酵工程的应用①在食品工业上的应用
②生产各种各样的食品添加剂
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、溶菌酶
添加了柠檬酸的饮料
增加食品的营养
延长食品的保存期
改善食品的口味、色泽和品质
食品添加剂的作用
发酵工程的应用①在食品工业上的应用
③生产酶制剂
食品的直接生产
改进生产工艺
简化生产过程
提高产品产量
延长食品储存期
改善产品的品质和口味
②酶制剂的作用
果胶酶
脂肪酶
α-淀粉酶
β-淀粉酶
氨基肽酶
… …
①酶制剂
发酵工程的应用②在医药工业上的应用
各种抗生素/多种氨基酸/多种激素/多种免疫调节剂
①发酵工程生产的药物
动植物的基因
微生物
直接改造微生物
转入
微生物
病原体的抗原基因
转入
发酵
工程
药物
药物
疫苗
②基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
发酵工程的应用③在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
微生物肥料
利用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、促进植株生长、增强植物抗病性和抗逆性。
常见微生物肥料：
根瘤菌肥、固氮菌肥
②生产微生物农药
微生物农药
利用微生物或其代谢物来防治病虫害。
苏云金杆菌(Bt毒蛋白) 防治80多种农林害虫
白僵菌(真菌) 防治玉米螟、松毛虫
放线菌 (井冈霉素) 防治水稻枯纹病
发酵工程的应用③在农牧业上的应用
③生产微生物饲料
微生物饲料
以微生物为发酵菌种，将饲料原料转化为微生物菌体蛋白、生物活性小肽类氨基酸、微生物活性益生菌、复合酶制剂为一体的生物发酵饲料。
单细胞蛋白：
以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业废料等为原料，通过发酵获得的大量微生物菌体。
单细胞蛋白不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。
发酵工程的应用④在其他方面的应用
④在其他方面的应用
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。
解决资源短缺与环境污染问题。
正渗透到几乎所有的工农业领域：助力解决粮食/环境/健康/能源等方面
极端微生物的利用：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
提示:
在农业生产中,可以利用农作物废弃物生产食用菌,利用菌糠生产有机肥或部分替代动物饲料;
在植物保护方面,应用微生物产生的抗生素来生产生物农药,治理病虫害等。
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。
2.请列举一下发酵工程在其他行业中的应用。
发酵工程的应用④在其他方面的应用
归纳

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