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第3节 发酵工程及其应用
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、提纯产物获得产品一、发酵工程的基本环节
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；
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。
4.灭菌：
选择原料
反复试验
（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
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________培养液中___________、________等，以____________；
②要及时添加_______________，要严格控制_____、____和______等发酵条件；
随时检测
微生物数量
产物浓度
了解发酵进程
必需的营养物质
温度
pH
溶氧量
（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
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
（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
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______________采取____的_____、_____和_____措施来获得产品；
过滤
沉淀
分离
干燥
根据产物的性质
适当
提取
分离
纯化
8.获得产品：
单细胞蛋白
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
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。
二、发酵工程的应用
发酵工程的优点：
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；
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。
1.在食品工业上的应用
（1）生产传统的发酵食品
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
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
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。
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）生产食品添加剂
①食品添加剂的作用：
②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；
③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；
④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；
2.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
实例：
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。
（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；
3.在农牧业上的应用
（1）生产微生物肥料
①微生物肥料的种类：
根瘤菌肥、固氮菌肥
②微生物肥料的作用：
Ⅰ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；
Ⅱ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：
苏云金杆菌 防治80多种农林虫害。
白僵菌 防治玉米螟、松毛虫等虫害。
井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素） 防治水稻枯纹病。
③防治类型：
生物防治
（3）生产微生物饲料
①原理：
微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快
②实例1——单细胞蛋白
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：
单细胞蛋白生产过程：
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。
4.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
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。
①极端微生物：
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。
谢谢观看
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