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第3节
发酵工程及其应用
第一章 发酵工程
本节聚焦:什么是发酵工程？发酵工程的一般流程是什么？发酵工程在生产上有哪些重要的价值？
从社会中来
青霉素的生产
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，在“二战”期间，青霉素挽救了数以万计的生命，被称为“有魔力的子弹”。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。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢
通过发酵工程生产
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
现代化工程技术
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。
发酵工程的概念及其形成背景
1.发酵工程形成背景：
2.发酵工程概念：
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
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
发酵工程的基本环节
一
性状优良菌种
①自然界中筛选
②诱变育种
③基因工程育种
选育菌种
发酵工程基本环节：
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
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；发酵条件容易控制；
③菌种不易变异、退化等。
来源
扩大培养
发酵工程基本环节：
快速增加菌种数量，确保有充足的菌体参与发酵
目 的：
3）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。
2）扩大培养所用的培养基，从物理性质上，一般选 培养基进行培养。
液体
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。
配制培养基
发酵工程基本环节：
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。（即不断优化培养基）
灭 菌
发酵工程基本环节：
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。
将 的菌种投放到 中。
发酵罐
扩大培养后
接 种
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：
发酵罐发酵
发酵工程基本环节：
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；
4）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；
实例：谷氨酸发酵
②严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。
—发酵工程的中心环节
在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸
在酸性条件下会积累谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺
发酵过程中要注意些什么？
发酵工程基本环节：
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。
发酵罐发酵
—发酵工程的中心环节
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
—发酵工程的中心环节
发酵罐发酵
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。
发酵罐示意图
分离、提纯，获得产品
发酵工程基本环节：
（1）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得到产品。
（2）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。
如果发酵产品是微生物细胞本身，如何分离得到产品？如果是代谢物呢？
发酵产品类型 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
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？
思考·讨论：发酵工程基本环节分析
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。
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。
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？
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？
思考·讨论：发酵工程基本环节分析
传统发酵技术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。
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：沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换、液相层析法、结晶法等。
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
现学现用
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
发酵工程的应用
二
阅读教材24-27页分类找出发酵工程的应用：
二、发酵工程的应用——1.在食品工业上的应用
①生产传统的发酵产品
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
a.酱油的生产
谷物或水果
酿酒酵母
各种酒类
b.各种酒类的生产
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。
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。
淀粉→麦芽糖→葡萄糖
思考·讨论：啤酒的工业化流程
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
过滤
冷却
装瓶
装罐
储存罐
接种
思考·讨论：啤酒的工业化流程
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
在低温、密闭的环境下，储存一段时间，形成澄清、成熟的啤酒。
啤酒的发酵生产过程中，菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等使啤酒的产量和质量明显提高
发芽 焙烤 碾磨 糖化 蒸煮 发酵 消毒 终止
主发酵
后发酵
（1）实例1——柠檬酸（酸度调节剂）
（2）实例2——味精
淀粉
淀粉酶
黑曲霉
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
②生产各种各样的食品添加剂
二、发酵工程的应用——1.在食品工业上的应用
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
（3）食品添加剂的作用
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
二、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
（4）常用的食品添加剂
二、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
改善产品的品质和口味
延长食品储存期
提高产品产量
b.酶制剂的作用
α-淀粉酶
β-淀粉酶
果胶酶
氨基肽酶
脂肪酶
… …
a.酶制剂的种类
c.酶制剂的来源
少数由动植物生产，
大多数通过发酵工程生产
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
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
各种抗生素
多种氨基酸
多种激素
多种免疫调节剂
发酵工程生产的药物
将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产疫苗
二、发酵工程的应用——2.在医药工业上的应用
获得
能生产药物的微生物
二、发酵工程的应用——3.在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
(1)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；
(2)有的还可以抑制土壤中病原微生物的生长，减少病虫害的发生。
有机酸
生物活性物质
微生物肥料的作用：
利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
微生物肥料的种类：
二、发酵工程的应用——3.在农牧业上的应用
②生产微生物农药
微生物农药是利用　　 　或　　 　来防治病虫害的。
微生物
其代谢物
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
微生物农药的作用原理：
实例：
微生物农药作为　　 　的重要手段。
生物防治
防治类型：
二、发酵工程的应用——3.在农牧业上的应用
③生产微生物饲料
微生物含有丰富的 。且繁殖速度快。
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
原理：
实例1：
单细胞蛋白=微生物菌体
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。
实例2：
单细胞蛋白含有丰富的蛋白质、糖类、脂质和维生素等
二、发酵工程的应用——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
②对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温等环境）的利用
利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量
①解决资源短缺与环境污染问题
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
能源
健康
发酵工程 传统发酵技术
不 同 点 菌种 通过微生物 技术筛选或其它技术生产的优良菌种，大多是 菌种 原材料中天然存在的 菌种
发酵 方式 发酵为主 固体发酵或__________发酵为主
对发酵条件的控制 严格_____操作，防止杂菌污染。通过 技术对发酵条件精确地控制，使发酵条件处于最佳状态。 不是无菌操作，容易受到 污染。对发酵条件不能严格控制，易
受 影响。
生产规模和产品 生产规模大，实现了工业化生产。原料来源丰富，成本_____，产物_____，产量_____。 通常是 或作坊式的，产量低。生产往往受 和原料限制。产品风味品种比较_____，质量 。
相同点 都是利用了__________的作用 联系 发酵工程是在传统发酵技术的基础上发展起来的 纯培养
单一
混合
液体
半固体
无菌
现代工程
杂菌
外界条件
低
多样
高
家庭式
季节
单一
不稳定
微生物
比较：发酵工程和传统发酵技术
课堂小结
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。（ ）
×
×
√
√
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。
二、拓展应用
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。
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，请分析冋答问题。
（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，接入新的培养液中
连续培养，使目的菌的数量 。
筛选出可以降解化合物A的微生物
选择
显著降低
扩增
1.（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。
（4）将目的菌用于环境保护实践时，还有哪些问题需要解决？
（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。
细菌计数板计数
S形增长
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。
可行。这是后面将要学习的基因工程的基本思路。

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