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第1章 第3节 发酵工程及应用
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青霉素，它的价格贵如金。
那么在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢
一代神药——青霉素（视频）
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。
学习目标
目标
01
02
03
根据发酵产品和利用微生物的不同，讨论发酵工程中的发酵条件及控制方法。（科学探究）
基于发酵工程的基本环节和应用实例，阐明发酵工程的概念。（科学思维）
认可发酵工程在生产上重要的应用价值。（社会责任）
微生物纯培养技术的建立
密闭式发酵罐的设计成功
人们对发酵原理的认识
发酵工程形成
发酵工程：是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
一、发酵工程的形成
那么发酵工程的基本环节是什么呢？应用发酵工程能够生成哪些产品呢？
二、发酵工程的基本环节
醋厂制醋主要包括哪些环节
选育菌种时，菌种来源有哪些？你能否举例
为什么要进行扩大培养？
菌种确定之后，培养基的配方如何才能确定？
培养基和发酵设备都必须经过严格的什么处理？为什么？
发酵罐内发酵需要注意哪些问题？
用什么手段对产品进行分离、提纯
请结合教材22-23页发酵工程的基本环节和发酵罐示意图,回答以下问题：
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
目的:
菌种来源：
实例：
选育菌种
扩大培养
配制培养基
(1)醋厂制醋主要包括哪些环节
(2)选育菌种时，菌种来源有哪些？你能否举例
获得性状优良的菌种。
自然界中筛选、诱变育种或基因工程育种。
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。
二、发酵工程的基本环节
中心环节
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
二、发酵工程的基本环节
(3)为什么要进行扩大培养？
(4)菌种确定之后，培养基的配方如何才能确定？
目的:获得更多的菌种
原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大
扩大培养的培养基：一般为液体培养基。
选择原料制备培养基（结合菌种代谢特点）；在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定
二、发酵工程的基本环节
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
青霉素生产中被杂菌污染，杂菌分泌青霉素酶，将青霉素分解。
对生产环境需进行消毒处理
(5)培养基和发酵设备都必须经过严格的什么处理？为什么？
培养基和发酵设备
对通入的空气进行灭菌
①灭菌原因:
②灭菌对象:
③实例:
所用菌种多是单一菌种，一旦有杂菌污染，可能导致产量大大降低。
①灭菌目的:
避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量
二、发酵工程的基本环节
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
(6)发酵罐内发酵需要注意哪些问题？
随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；
要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。
及时添加必需的营养组分，
地位：
② 注意事项：
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
(6)发酵罐内发酵需要注意哪些问题？
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；
③ 严格控制：
在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸；
在条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；
④实例——谷氨酸发酵：
二、发酵工程的基本环节
二、发酵工程的基本环节
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
(7)用什么手段对产品进行分离、提纯？
①微生物细胞本身:
发酵结束之后,采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥
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。
②代谢物:
培养物或营养物质的加入口
观察孔
取样管
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
温度传感器和控制装置
冷却水进入口
阀门
放料管
编号 主要用途
A区
B区
C区
D区
控制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养
通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程。
取样器也可以通过取样判断发酵状态和程度。
通过控制冷水流速调节罐温
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。
二、发酵工程的基本环节
调节罐压
需要考虑的因素包括：
在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；
生产所需代谢物的产量高；
发酵条件容易控制；
菌种不易变异、退化等。
要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
传统发酵技术：产物一般是复杂的混合物，一般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、过滤等方法来分离和提纯产物。
发酵工程：使用的分离和提纯产物的方法较多。常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换，液相层析法、结晶法等方法。最后需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。
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弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
发酵工程
原理
概念
基本环节
实质
产物
发酵原理和工程学原理
通过微生物的大量繁殖获得所需产品
代谢物或微生物细胞本身
发酵工程相比传统发酵技术有什么优点？在哪些方面有运用呢？
小结
三、发酵工程的应用
4.发酵工程在其他方面的应用有哪些？请举例说明
3.发酵工程在农牧业上的应用有哪些？请举例说明
2.发酵工程在医药工业上的应用有哪些？请举例说明
1.发酵工程在食品工业上的应用有哪些？请举例说明
请结合教材24-26页，思考以下问题：
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，形成了规模庞大的分解工业。
（一）优点：
（二）运用：
医药
其他
食品
农牧
三、发酵工程的应用
(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。
三、发酵工程的应用
（1）生产传统的发酵产品：
（2）生产食品添加剂。
（3）生产酶制剂
如酱油各种酒类等
发酵工程在食品工业上的应用有哪些？
1.在食品工业上的应用
（二）运用：
(1)生产传统的发酵产品
实例1:酱油的生产
小分子肽
和氨基酸
酱油
黑曲霉
(蛋白酶)
淋洗、调制
实例2:各种酒类的生产
各种酒类
酿酒酵母
三、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
（二）运用：
啤酒的工业化生产流程（视频）
三、发酵工程的应用
通过观看视频请思考完成问题。
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？
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？
三、发酵工程的应用
三、发酵工程的应用
发芽
1
3
焙烤
8
碾磨
5
糖化
蒸煮
4
7
发酵
2
消毒
6
终止
流程进行排序
1
3
8
5
4
7
2
6
答案：
啤酒的工业化生产流程
思考 讨论
三、发酵工程的应用
发酵
7
消毒
8
终止
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。
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。
发芽
1
2
焙烤
3
碾磨
4
糖化
蒸煮
5
主发酵
后发酵
6
啤酒的工业化生产流程
思考 讨论
三、发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考 讨论
啤酒的发酵过程分：
为_______和_______两个阶段；
主发酵阶段完成_____________
__________________________；
后发酵的条件_______________
___________________________；
主发酵
后发酵
酵母菌的繁殖、
大部分糖的分解和代谢物的生成
低温、密闭的环境下储存一段时间
三、发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考 讨论
加啤酒花
冷却
接种
过滤
与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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。
发芽
1
焙烤
2
碾磨
3
糖化
4
蒸煮
5
发酵
6
消毒
7
终止
8
三、发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考 讨论
加啤酒花
冷却
接种
过滤
发芽
1
焙烤
2
碾磨
3
糖化
4
蒸煮
5
发酵
6
消毒
7
终止
8
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
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，价格昂贵的问题。
三、发酵工程的应用
啤酒的工业化生产流程
思考 讨论
加啤酒花
冷却
接种
过滤
与传统的手工发酵相比，啤酒发酵生产过程中，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。
发芽
1
焙烤
2
碾磨
3
糖化
4
蒸煮
5
发酵
6
消毒
7
终止
8
类别 “精酿”啤酒 “工业”啤酒
原料
是否添加食品添加剂
麦芽汁浓度
发酵时间
特点
只使用麦芽、啤酒花、酵母菌和水
麦芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等
不添加
添加
较高，口味浓郁
较低，口味清淡
长，可达2个月
短，通常7天左右
产量低、价格高
产量高、价格低
三、发酵工程的应用
三、发酵工程的应用
①利用黑曲霉发酵生产柠檬酸；
②利用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，经处理制成味精。
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）运用：
(2)生产各种各样的食品添加剂
1.在食品工业上的应用
（二）运用：
(3)生产酶制剂
α-淀粉酶
β-淀粉酶
果胶酶
脂肪酶
氨基肽酶
种类
作用
食品直接生产
改进生产工艺
简化生产过程
改善产品的品质
延长食品储存期
提高产品产量
三、发酵工程的应用
1.在食品工业上的应用
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
在医药工业上的应用有哪些？
2.在医药工业上的应用
（二）运用：
三、发酵工程的应用
改造菌种
02
工程菌
01
疫苗
03
利用经过基因改造的微生物进行发酵生产生长激素释放抑制激素
未来可能用微生物来生产过去只能从植物中提取的紫杉醇、青蒿素前体等化合物
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）运用：
基因工程、蛋白质工程与发酵工程相结合
三、发酵工程的应用
2.在医药工业上的应用
（二）运用：
三、发酵工程的应用
(2)生产微生物农药
(3)生产微生物饲料
(1)生产微生物肥料
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
2.生产微生物农药
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，属于生物防治
3.生产微生物饲料
1.生产微生物肥料
单细胞蛋白
（二）运用：
三、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
微生物农药防治和化学农药防治的比较
项目 微生物农药防治 化学农药防治
防治机理
优点
缺点
利用微生物或代谢物进行防治
成本低、无污染，可以维持生态平衡
防治速度慢
利用化学药剂（如杀虫剂、杀鼠剂）等进行防治
见效快，操作简单
成本高，污染环境，不利于维持生态平衡
（二）运用：
三、发酵工程的应用
3.在农牧业上的应用
解决资源短缺和环境污染问题
对极端微生物（生活在高温、高压、高盐和低温环境）的利用
(1)
(2)
利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质
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
（二）运用：
三、发酵工程的应用
4.在其他方面的应用：
本节小结
生产传统发酵食品
生产食品添加剂
发酵工程的基本环节
生产酶制剂
采用基因工程的方法
直接对菌种进行改造
生产微生物肥料
生产微生物农药
生产微生物饲料
解决资源短缺与环境污染问题
将极端微生物应用于生产实践
发酵工程的应用
食品工业
医药工业
农牧业
其他方面
接种
灭菌
发酵罐内发酵
分离提纯产物
获得产品
选育菌种
扩大培养
配制培养基
课后习题·概念检测
1.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。（ ）
×
√
×
√
课后习题·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。
课后习题·拓展应用
2. 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。
乙醇
糖类
光合作物
汽车
自然界
CO2

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