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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。
第1章 发酵工程
【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。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160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？
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
第3节 发酵工程及其应用
01
发酵工程的基本环节
目录 /CONTENTS
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、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。
01
发酵工程的基本环节
01
发酵工程的基本环节
菌种选育
扩大培养
发酵罐内发酵
配制培养基
灭菌
接种
分离、提纯产物
获得产品
1.选育菌种
（1）目的：
获得_________________
性状优良的菌种
（2）菌种来源：
从自然界中筛选、 或 。
诱变育种
基因工程育种
（3）实例：
筛选产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸；
使用基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期。
思考讨论：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？
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物发酵产物的成败。
2.扩大培养
（1）目的：
获得 。
更多的菌种
（2）原因：
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。
3.配制培养基
①在菌种确定之后，要 制备培养基。
②在生产实践中，培养基的配方要经过 才能确定。
选择原料
反复试验
4.灭菌
（1）灭菌原因：
发酵工程种所用的菌种大多是 ，一旦有杂菌污染，可能导致 。
单一菌种
产量大大降低
（2） 都必须经过严格的灭菌。
培养基和发酵设备
例如，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。
5.接种
将 的菌种投放到 中。
发酵罐
扩大培养后
6.发酵罐内发酵
——发酵工程的中心环节
（1）要求：
①发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等以了解发酵进程。
②要及时添加必需的营养组分，要严格控制发酵温度、pH、溶解氧等发酵条件。
（2）严格控制发酵条件的原因：
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。
（3）不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵
①在 和 条件下会积累谷氨酸；
②在 条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。
中性
弱碱性
酸性
（4）现代发酵工程使用的发酵罐的优点
均有 ，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 和 ，还可以进行 ，使发酵全过程处于 。
计算机控制系统
监测
控制
反馈控制
最佳状态
发酵罐
电动机D1
排气管C3
pH计B3
冷却水排出口C2
冷却夹层
发酵液
搅拌叶轮D2
生物传感器装置B4
空气入口A4
放料管A2
A3 阀门
A1培养物或营养物质的加入口
B1观察孔
B2取样管
B5温度传感器和控制装置
C1冷却水进入口
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。
7.分离、提纯产物
方法：
①发酵产品是微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用 、
等方法将菌体 和 ；
②发酵产品是代谢物时，可根据 采取 的 、
和 措施来获得产品。
过滤
沉淀
分离
干燥
产物的性质
适当
提取
分离
纯化
8.获得产品
啤酒
味精
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？
①反复试验确定培养基的配方；②对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；③随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；④及时添加必需的营养组分；⑤严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制。
【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。
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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。
01
发酵工程的基本环节
目录 /CONTENTS
一、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，如酱油、各种酒类等
实例1：生产酱油
大豆
黑曲霉
蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸
淋洗、调制
酱油
实例2：酿酒
谷物或水果
酿酒酵母
酒类
【思考 讨论】啤酒的工业化流程
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。
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
讨论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。
讨论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。
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。
2.生产各种各样的食品添加剂
食品添加剂的作用：
实例1：柠檬酸
柠檬酸是一种食品酸度调节剂；
可以通过黑曲霉的发酵制得；
实例2：味精
由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸；
谷氨酸经过一系列处理就能制成味精。
常见的食品添加剂
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
3.生产酶制剂
①常见酶制剂
α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶
②酶制剂应用
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品产量等。
③酶制剂来源
少数由动植物生产；
绝大多数通过发酵工程生产。
二、在医药工业上的应用
1.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。
①利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素；
②利用基因工程改造的微生物生产疫苗。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。如某种乙肝疫苗的生产。
青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。发酵工程可以生产抗生素、氨基酸、激素和免疫调节剂等。
基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。
2.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。
实例：青霉素高产菌株的培育
3.未来还可能利用微生物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。
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
三、在农牧业上的应用
1.生产微生物肥料
（1）微生物肥料利用了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。
（2）种类：利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥。
（3）有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。
2.生产微生物农药
①微生物农药的作用机理：
利用微生物或其代谢物来防治病虫害
②实例：
③防治类型：
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
井冈霉素 一种放线菌产生的抗生素 水稻枯纹病
3.生产微生物饲料
①原理：
微生物含有丰富的蛋白质（如细菌的蛋白质含量占细胞干重的60%~80%），且繁殖速度快。
②实例1——单细胞蛋白
单细胞蛋白生产过程：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。
单细胞蛋白应用：食品添加剂、微生物饲料。
单细胞蛋白成分：不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质。
③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。
四、在其他方面的应用
1.解决资源短缺与环境污染问题
随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。
2.将极端微生物应用于生产实践
①极端微生物：自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。
②举例：
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。
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
我国发酵产品总量位居世界第一，我国是名副其实的发酵大国。
（1）生产柠檬酸需要筛选产酸量高的乳酸菌 （　 　）
（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）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 （　　 ）
（4）单细胞蛋白指通过发酵而获得的微生物菌体 （　　 ）
判断常考语句，澄清易混易错
【网络构建】
练习与应用
一、概念检测
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。 （ ）
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。
二、拓展应用
复习与提高
1.某化工厂为了处理排出污水中的一种有害的、难以降解的有机化合物A，其研究团队用化合物A、磷酸盐、镁盐和微量元素等配制了培养基，成功地筛选出能高效降解化合物A的细菌(目的菌)。实验的主要步骤如下图所示，请分析回答问题。
（1）在培养基中加入化合物A的目的是
，这种培养基属于 培养基。
（2）培养若干天后，应选择培养瓶中化合物A含量 的培养液，接入新的培养中续培养，使目的菌的数量 。
筛选出可降解化合物A的微生物
选择
显著降低
扩增
（3）若要研究目的菌的生长规律，可挑取单个菌落进行液体培养，再采用
方法进行计数。请你预测目的菌的种群数量会发生怎样的变化。
细菌计数板计数
S形增长
（4）将目的菌用于环境保护实践时，还有哪些问题需要解决
提示：目的菌能否在自然环境中大量生长繁殖、是否会产生对环境有害的代谢物、降解化合物A后是否会产生二次污染等问题都需要研究清楚后，才能进行实践。
（5）有人提出，可以通过改造细菌的基因来获得能够降解化合物A的细菌，请分析这种方法是否可行。
提示：可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。

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