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(共31张PPT)
第1章 发酵工程
第3节 发酵工程及其应用
发酵工程
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。它涉及菌种的选育和培养，产物的分离和提纯等方面
发酵工程的基本环节
选育菌种
性状优良的菌种:
1.自然界筛选
2.诱变育种
3.基因工程育种
筛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，加速发酵、缩短生产周期；
射线照射青霉菌，选育出高产青霉菌
选育菌种
发酵工程的基本环节
扩大培养
工业发酵罐的体积一般为几十立方米到几百立方米，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。
选育菌种
发酵工程的基本环节
扩大培养
配制培养基
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。
选育菌种
发酵工程的基本环节
扩大培养
配制培养基
灭菌
2.培养基和发酵设备都必须经过严格灭菌
1.发酵过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。
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
选育菌种
发酵工程的基本环节
扩大培养
配置培养基
灭菌
接种
选育菌种
发酵工程的基本环节
扩大培养
配置培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
中心环节
1.要随时监测培养液中的微生物的数量，产物浓度等，以了解发酵进程。
2.及时添加必需的营养组分，严格控制温度，PH，溶解氧等发酵条件。
3.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。
例如：谷氨酸发酵：
中性和弱碱性 谷氨酸
酸性 谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺
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
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
A1,A2,A3--控制培养物以一定的速度进入，流出发酵罐，实现连续培养
A1
A2
A3
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
A4
A4-控制溶解氧
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
B1-B5-监控发酵条件及发酵进程，B2处抽取样本进一步检测
B1
B2
B3
B4
B5
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
C1
C2
C1,C2-控制冷水流速调节罐温
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
D1
D2
D1,D2-电动机带动叶轮进行搅拌，作用：1使微生物与发酵液混合均匀。2加快氧气溶解。3散热
选育菌种
发酵工程的基本环节
扩大培养
配置培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
中心环节
分离，提纯产物
1.若发酵产品是微生物本身，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。
2.如产品是代谢物，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
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？
①繁殖快、代谢旺盛、代谢产物多
②对营养物质的要求低，低成本培养
③发酵条件容易控制；
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？
发酵工程基本环节分析
发酵过程中的主要影响因素及相应的控制方法
温度
微生物分解有机物释放的能量，一部分用于合成ATP，另一部分散发到培养基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌也会产生一部分热量引起温度升高。
原因：
控制方法：
用冷却水进行温度调节
pH
原因：
控制方法：
培养基中营养成分的利用和代谢物的积累。
在培养基中添加缓冲液，在发酵过程中加酸或碱
溶解氧
原因：
控制方法：
好氧型微生物，要保证充足溶解氧；厌氧型微生物，要保证严格的无氧环境
利用发酵罐的空气入口控制氧气的量
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和溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必需的营养组分。
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？
不能。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。
发酵工程的应用
发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点，在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛应用，形成了规模庞大的发酵工业。
发酵工程的应用
一、在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵产品
大豆中蛋白
小分子肽和氨基酸
酱油
黑曲霉
淋洗、调制
各种谷物、水果
酿酒酵母
各种酒类
发酵工程的应用
(2)生产各种各样的食品添加剂
例如：利用黑曲霉发酵生产柠檬酸；
利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。
表1-2 常用的几种食品添加剂 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
一、在食品工业上的应用
发酵工程的应用
一、在食品工业上的应用
(3)生产酶制剂
利用微生物发酵生产α 淀粉酶、β 淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等；目前已有50多种酶制剂用于食品生产。
思考·讨论
啤酒的工业化生产流程
啤酒的工业化生产流程发芽焙烤碾磨糖化蒸煮发酵主发酵冷却大麦种子发芽，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。淀粉分解，形成糖浆。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。消毒终止后发酵过滤过滤、调节、分装啤酒进行出售。01主发酵
完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。
后发酵
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。
发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求不同有所差异。
发酵工程的应用
二、在医药工业上的应用
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。
（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
（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
（3）未来可能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。
（4）利用基因工程将病原体的抗原基因转入微生物细胞，制成生物疫苗。
发酵工程的应用
三、在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
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。如根瘤菌肥和固氮菌肥。有的微生物肥料还可以抑制土壤中病原微生物的生长，从未减少病虫害的发生。
（2）生产微生物农药
微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的
（3）生产微生物饲料
通过微生物发酵获得大量的微生物菌体，即单细胞蛋白
生物防治
发酵工程的应用
四、在其他方面的应用
（1）解决资源短缺和环境污染问题
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
谢谢观看
Thank you

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