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第一章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
（第一课时）
习题检测
(1)筛选分解尿素的细菌的培养基以尿素为唯一氮源，且为液体培养基。( )
(2)能分解尿素的细菌之所以能分解尿素，是因为其能产生脲酶。( )
(3)稀释涂布平板法能分离细菌，也能计数( )
(4)平板划线法不仅能纯化细菌，也能计数( )
(5)可利用以石油为唯一碳源的培养基筛选能分解石油的细菌（ ）
(6)取土壤和稀释土壤溶液时应在酒精灯火焰旁操作（ ）
×
√
√
×
√
√
新课导入
青霉素
是世界上第一个应用于临床的抗生素。
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。
早期1瓶规格大概20万单位的青霉素最高卖到
金币
如今1瓶规格160万单位的青霉素注射剂
硬币
？
那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
目录
01
一、发酵工程的基本环节
一、发酵工程的基本环节
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
现代化工程技术
微生物的
特定功能
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。
1.发酵工程的概念：
一、发酵工程的基本环节
1.发酵工程的概念：
利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
①微生物：
自然界的微生物
诱变育种的微生物
基因重组的微生物
（常规菌）
（工程菌）
②产 品：
包括利用酵母菌发酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌发酵制造的酸奶，及利用工程菌生产的人胰岛素。
③实 质：
利用微生物进行产品生产。
发酵工程的基本环节
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
接种
选育菌种
制备培养基
扩大培养
灭菌
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
选育菌种
目的：获得性状优良的菌种
菌种来源：①从自然界中筛选②诱变育种③基因工程育种
选产酸量高的黑曲霉生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母生产啤酒。
产柠檬酸量高的黑曲霉
基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵过程，缩短生产周期
问：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发酵条件易控制；
④菌种不易变异，退化等。
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
扩大培养
快速增加菌种数量，确保有充足的菌体参与发酵
目 的：
问：菌种扩大培养的最佳时期？
将培养到生长速度最快时期的菌体分开，再进行培养。
问：扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选什么培养基进行培养。
液体培养基
液体使微生物与营养物质接触更充分，提高营养物质的利用率，利于微生物的繁殖。
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
制备培养基
配置培养基要遵循的原则：
①即营养物质满足微生物的需要，营养物质的浓度及配比恰当，物理、化学条件适宜等。
②配置的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。
③配置的培养基要经过反复试验才能大规模应用。
（即不断优化培养基）
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
灭菌
防止杂菌污染而影响产品的品质和产量
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。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。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
①目 的：
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。
②灭菌的原因分析：
③实例：
接种
将 的菌种投放到 中。
发酵罐
扩大培养后
如培养基，发酵设备等灭菌处理
（无菌条件下接种）
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
发酵罐内发酵
—发酵工程的中心环节
监控：①随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，了解发酵进程。
②要及时添加必需的营养成分，
③要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件；
实例——谷氨酸发酵：
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生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
问：为什么要严格控制发酵条件？
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；
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
发酵罐内发酵
—发酵工程的中心环节
装置编号 主要用途
①②③
④
⑤⑥⑦⑧⑨
⑩


控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
控制溶解氧含量
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。
一、发酵工程的基本环节
2.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
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
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。
控制溶解氧含量
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
发酵罐内发酵
一、发酵工程的基本环节
2.发酵工程的基本环节：
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：
分离、提纯产物，获得产品
问：发酵生产排出的气体和废弃培养液等不能直接排放到外界环境，需如何处理
为了减少或避免污染物的产生和排放，二次清洁或灭菌处理。达到清洁生产的要求。
一、发酵工程的基本环节
问：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？
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。
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。
习题检测
1 . 乳酸链球菌素（Nisin）是乳酸链球菌分泌的一种抗菌肽。研究者对Nisin发酵生产过程相关指标进行了检测，结果如图。下列叙述错误的是（　　）
A．适度提高乳酸链球菌接种量可缩短Nisin发酵生产周期
B．发酵的中后期适量补加蔗糖溶液可促进菌体生长
C．向发酵罐内适时适量添加碱溶液可提高Nisin产量
D．发酵结束后主要通过收获并破碎菌体以分离获得Nisin产品
D
习题检测
2 . β-苯乙醇是赋予白酒特征风味的物质。从某酒厂采集并筛选到一株产β-苯乙醇的酵母菌应用于白酒生产。下列叙述错误的是（ ）
A．所用培养基及接种工具分别采用湿热灭菌和灼烧灭菌
B．通过配制培养基、灭菌、分离和培养能获得该酵母菌
C．还需进行发酵实验检测该酵母菌产β-苯乙醇的能力
D．该酵母菌的应用有利于白酒新产品的开发
B
习题检测
3 .废水、废料经加工可变废为宝。某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线如图所示。下列叙述正确的是（　　）
A．该生产过程中，一定有气体生成
B．微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料
C．该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质
D．沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理
A
习题检测
右图是发酵工程常用的发酵罐的结构示意图，请据图回答下列问题。
（1）在发酵前，需用 法对整个发酵罐进行灭菌 ，为保证该过程的实施，整个发酵罐必须是 的。
（2）在发酵过程中，电动机不停带动搅拌叶轮转动，这样做的目的是
（3）冷却水是为了带走微生物进行 产生的热量，以维持发酵液温度的稳定，若温度过高，会影响微生物 ，导致不能产生相应代谢产物，甚至死亡。
高压蒸汽灭菌
密封
增加溶解氧，让微生物与营养物质充分接触，以保证微生物的营养供应
细胞呼吸
酶的活性
习题检测
大豆油脂中的化合物种类繁多，但主要成分是甘油三酯，常温下一般为液态，不溶于水，易溶于有机溶剂，沸点较高。大豆种子中的油脂多与蛋白质结合在一起，要提取纯度较高的大豆油脂，往往需要将油脂成分与蛋白质分离。芽孢杆菌是常见的蛋白酶产生菌，广泛存在于土壤中，较易与其他细菌分离。研究人员利用芽孢杆菌分离大豆油脂与蛋白质、以及提取大豆油的流程如下图。回答下列问题：
(1)从土壤中分离芽孢杆菌，需要先将土壤样品稀释后再接种到固体培养基上，稀释的目的是_____ 。培养芽孢杆菌的培养基的pH一般接近______性，将接种后的平板培养一段时间后，可以根据______等菌落特征挑选出芽孢杆菌进行扩大培养。
(2)将芽孢杆菌接种到含酪蛋白的固体培养基（酪蛋白使培养基呈不透明的乳白色）上，培养一段时间后，在某些菌落周围会形成透明圈，原因是______。根据_____就可筛选出比较高效的目的菌株。
(3)将筛选到的目的菌株扩大培养后，接种到含有大豆原料的液体培养基中进行振荡培养，振荡的目的是_____，培养过程中还需要严格控制_____等条件（至少答出两点）。
将聚集在一起的微生物分散成单个细胞
中性或微碱性
形状、大小、颜色
芽孢杆菌产生的蛋白酶将酪蛋白分解
透明圈的大小
增加培养液中的溶氧量、使菌种与培养液充分接触
pH、温度、培养液浓度
小结
发酵工程
原理
概念
基本环节
实质
产物
发酵原理和工程学原理
通过微生物的大量繁殖获得所需产品
代谢物或微生物细胞本身
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。
目录
02
二、发酵工程的应用
二、发酵工程的应用
因此，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。
（记忆★）发酵工程特点
①生产条件温和
②原料来源丰富且价格低廉
③产物专一
④废弃物对环境的污染小和容易处理
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
微生物最早开发和应用的领域，产量和产值都居于发酵工业的首位。
（1）生产传统的发酵产品
生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等
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
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
二、发酵工程的应用
思考·讨论：啤酒的工业化流程
①发芽
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。
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
⑤蒸煮
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
接种
啤酒的工业化生产流程
二、发酵工程的应用
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
冷却
消毒
终止
后发酵
过滤
加啤酒花
过程概述：
（1）啤酒的发酵过程分为__________和__________两个阶段；
（2）主发酵阶段完成__________________________________________________
（3）后发酵的条件____________________________________________________
（4）焙烤的目的：____________________________________________________
（5）蒸煮的目的：____________________________________________________
主发酵
后发酵
酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成
低温、密闭的环境下储存一段时间
加热杀死种子胚但不使淀粉酶失活
产生风味组分，终止酶的进一步作用，并对糖浆灭菌
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。
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
接 种
啤酒的工业化生产流程
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
（1）酵母菌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。
酒精在醋酸菌的作用下被氧化产生乙醛，最后变为醋酸。
（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？
思考讨论
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
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,稳定性提高
二、发酵工程的应用
② 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
1.在食品工业上的应用
淀粉
黑曲霉
淀粉 酶
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
（1）柠檬酸（酸度调节剂）
（2）味精
（3）食品添加剂的作用
增加食品的营养
改善食品的口味、色泽和品质
延长食品的保存期
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
（4）常用的食品添加剂
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 乳酸链球菌素、溶菌酶
添加了柠檬酸的饮料
二、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
食品添加剂 ≠ 违法添加物
公众谈食品添加剂色变，更多的原因是混淆了非法添加物和食品添加剂的概念，把一些非法添加物的罪名扣到食品添加剂的头上显然是不公平的。
《国务院办公厅关于严厉打击食品非法添加行为切实加强食品添加剂监管的通知》中要求规范食品添加剂生产使用：严禁使用非食用物质生产复配食品添加剂，不得购入标识不规范、来源不明的食品添加剂，严肃查处超范围、超限量等滥用食品添加剂的行为，同时要求在2011年年底前制定并公布复配食品添加剂通用安全标准和食品添加剂标识标准。
二、发酵工程的应用
③生产酶制剂
1.概念：
从生物体中提取的具有酶特性的一类化学物质。
2.来源：
少数由动植物生产
绝大多数通过发酵工程生产
3.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。
4.产品：
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。
请你回忆一下自己做过的生物学实验，想一想曾经使用过哪些酶制剂。
探究温度对酶活性的影响实验中的淀粉酶
探究pH对酶活性的影响实验中的过氧化氢酶
1.在食品工业上的应用

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