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(共27张PPT)
1.3 发酵工程及
其应用
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，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？
从社会中来
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
青霉素
一.发酵工程的基本环节
(1)菌种的选育：性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
(2)扩大培养：接入的菌种总体积需要的量大，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。（快速增加菌种数量）
(3)配制培养基：结合菌种的代谢特点配制培养基。
(4)灭菌：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。避免因杂菌污染而影响产品品质和产量
一.发酵工程的基本环节
(5)接种。将扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。
(6)发酵罐内的发酵：这是发酵工程的中心环节。
①在发酵过程中，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。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
②对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；并进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵罐
排气管
排出口
温度
进入口
空气
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。
发酵罐内发酵——发酵工程的中心环节
一.发酵工程的基本环节
(7)分离、提纯产物
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，即可得到产品。
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。
(8)获得产品
探讨点　发酵工程基本环节分析及应用
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的因素：能在低成本的　　　上生长，且大量高效地合成产物；发酵条件如　　、
　 、　　　等易控制；遗传性能稳定；抗噬菌体及杂菌污染能力强等。
核心探讨
突破重难　强化素养
培养基
温度
pH
溶解氧
2.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？
提示　不能。因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。
二.发酵工程的应用
1．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、废弃物对环境的污染小且容易处理。
二.发酵工程的应用
2．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，如酱油、各种酒类等。
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。
③生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶等。
生产传统的发酵产品
发酵工程使这些产品的产量和质量明显提高
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
利用霉菌发酵生产酱油、
利用酿酒酵母生产各种酒类
二.发酵工程的应用
(1)在食品工业上的应用
食品添加剂不仅可以增加食品的营养，改善食品的口味、色泽和品质，有时还可以延长食品的保存期。
实例：
①柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，可以通过黑曲霉的发酵制得。
②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作味精。
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
二.发酵工程的应用
(1)在食品工业上的应用
生产各种各样的食品添加剂
生产酶制剂
a -淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
目前，已有50多种酶制剂成功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品产量等方面。
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.发酵工程的应用
(1)在食品工业上的应用
啤酒的工业化生产流程
二.发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
我国是世界上啤酒的生产和消费大国。啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的，其工业化生产流程如下图所示。其中发酵过程分为主发酵和后发酵两个阶段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成。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。发酵的温度和发酵的时间随啤酒品种和口味要求的不同而有所差异。
发芽
焙烤
碾磨
糖化
蒸煮
发酵
主发酵
消毒
终止
后发酵
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。
啤酒的工业化流程
二.发酵工程的应用
思考讨论 P23
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？
【答案】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？“
【答案】 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。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、保质期短、价格昂贵的问题。
二.发酵工程的应用
(2)在医药工业上的应用
如生产抗生素、氨基酸、激素、免疫调节剂等。
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；
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。
利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
(2)在医药工业上的应用
科学家还利用基因工程，将病原体的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。如将乙型肝炎病毒的抗原基因转入酵母菌，再通过发酵生产乙型肝炎疫苗
未来甚至还可能用微生物来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。
二.发酵工程的应用
二.发酵工程的应用
(3)在农牧业上的应用
利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
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　　　、　　　 等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。
有机酸
生物活性物质
生产微生物农药
微生物农药是利用　　　或　　　　来防治病虫害的。
微生物农药作为　　　　的重要手段，
微生物
其代谢物
生物防治
例子：利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫，
一种放线菌产生的抗生素-井冈霉素可防治水稻枯纹病。
二.发酵工程的应用
(3)在农牧业上的应用
生产微生物饲料
微生物含有丰富的　　　。
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；
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。
微生物菌体
蛋白质
二.发酵工程的应用
(3)在农牧业上的应用
（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（如高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。例如嗜热菌、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。二.发酵工程的应用(4)在其他方面的应用
具体应用 成果
在食品工业上的应用 利用霉菌发酵生产酱油、利用酿酒酵母生产各种酒类
生产各种各样的食品添加剂
利用微生物发酵生产淀粉酶、果胶酶、脂肪酶和氨基肽酶等
在医药工业上的应用 通过工程菌生产药物
通过改造菌种生产药物
在农牧业上 的应用 生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
在其他方面的应用 解决资源短缺和环境污染问题
对极端微生物的利用 嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂
生产传统的发酵产品
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
生产酶制剂
利用工程菌发酵生产生长激素释放抑制激素
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯
利用根瘤菌和固氮菌生产的根瘤菌肥、固氮菌肥
利用苏云金杆菌防治多种农林虫害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛虫
利用淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液通过发酵获得大量微生物菌体用于饲料生产
(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(　　)
判断正误
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√
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1.发酵工程的正确操作过程是
①发酵　②培养基的配制　③灭菌　④产品的分离与提纯　
⑤菌种的选育　⑥接种　⑦扩大培养
A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④
C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③①
典题应用
及时反馈　知识落实
√
2.发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是
A.黑曲霉可作为酿制酱油、生产柠檬酸的菌种
B.啤酒酿制终止后，可得到啤酒、单细胞蛋白等产品
C.用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题
D.用液体培养基可大规模生产新冠病毒减毒疫苗
√
谢谢观看
Thank you

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