第3節發酵工程及其應用說出說出發酵工程的概念。闡明發酵工程的基本環節。簡述發酵工程的優點及應用。

青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素，早期只能從青霉菌中提取少量青霉素，價格貴如金。

隨著發酵技術的發展，如今一瓶規格160萬單位的青霉素注射劑價格只要一元左右，那么工業上究竟是如何生產的呢？發酵工程

什么是發酵工程？發酵工程的基本環節有哪些？發酵工程能生產哪些產品呢？從生活中來微生物純培養技術的建立密閉式發酵罐的成功設計人們對發酵原理的認識發酵工程形成一、發酵工程的形成發酵工程

指利用微生物的特定功能，通過現代工程技術，規模化生產對人類有用的產品。它涉及菌種的選育和培養，產物的分離和提純等方面。大規模生產發酵產品微生物的特定功能現代化工程技術發酵工程一般包括菌種的選育，擴大培養，培養基的配制、滅菌，接種，發酵，產品分離、提純等方面。二、發酵工程的概念

閱讀課本22頁第2段和圖1-9，明確發酵工程的基本環節，并對每個環節進行詳細分析。選育菌種擴大培養接種滅菌配制培養基發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品三、發酵工程的基本環節（1）目的:獲得性狀優良的菌種。（2）菌種來源：自然界中篩選、誘變育種或基因工程育種。（3）菌種選育的重要性（意義）：優良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發酵產品的產量高、質量穩定等優點，它往往還會賦予發酵產品獨特的風味，因此菌種選育環節在很大程度上決定了生物發酵產物的成敗。（4）實例：篩選產酸量高的黑曲霉用來生產檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發酵、縮短生產周期。1.選育菌種擴大培養工業發酵罐體積幾十~幾百m3幾~幾十m3接入的菌種總體積思考:怎樣對菌種進行擴大培養？將培養到增長速率最快時期的菌體分開，再進行培養。（1）目的:

獲得更多的菌種（2）原因：

工業發酵罐的體積一般較大，因此，需要接入的菌種總體積大（數目多）。（3）擴大培養的培養基：

一般為液體培養基。2.擴大培養（1）配制要求①在菌種確定之后，（結合菌種代謝特點）選擇原料制備培養基；②在生產實踐中，培養基的配方要經過反復試驗才能確定（即不斷優化培養基）；（2）滅菌原因發酵工程種所用的菌種大多是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導致產量大大降低。（3）滅菌目的：

避免因雜菌污染而影響產品的品質和產量*培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌；3.培養基的配制、滅菌電動機D1排氣管C3pH計B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發酵液攪拌葉輪D2生物傳感器裝置B4空氣入口A4放料管A2A3閥門A1培養物或營養物質的加入口B1觀察孔B2取樣管B5溫度傳感器和控制裝置C1冷卻水進入口裝置編號主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2控制培養物以一定速度進入、流出發酵罐，實現連續培養控制溶解氧通過肉眼觀察、儀器檢測等監控發酵條件以及發酵過程，B2處抽取樣品進一步檢測通過控制冷水流速調節罐溫調節罐壓電機帶動葉輪轉動進行攪拌，使微生物與發酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱將擴大培養后的菌種投放到發酵罐中。4.接種：電動機D1排氣管C3pH計B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發酵液攪拌葉輪D2生物傳感器裝置B4空氣入口A4放料管A2A3閥門A1培養物或營養物質的加入口B1觀察孔B2取樣管B5溫度傳感器和控制裝置C1冷卻水進入口現代發酵工程使用的發酵罐的優點：均有計算機控制系統，能對發酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行監測和控制，還可以進行反饋控制，使發酵全過程處于最佳狀態。4.接種：1）發酵過程的監測與調控：-要在發酵過程中隨時取樣，檢測培養液中的微生物數量、產物濃度等，以了解發酵進程；-及時添加必需的營養物質組分來延長菌體生長穩定期的時間，以得到更多的發酵產物；-嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發酵條件，已獲得所需的發酵產物。—發酵工程的中心環節?。?！溫度：原因：微生物分解有機物釋放的能量，機械攪拌也會引起溫度升高。方法：常用冷卻水進行溫度的調節pH:原因：培養基中營養成分的利用和代謝產物的積累。

方法：是在培養基中添加緩沖液，在發酵過程中加酸或堿。思考：發酵過程中溫度和pH會改變嗎？如何調節發酵液的溫度和pH?5.發酵罐內發酵2）為什么要嚴格控制發酵條件？①環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；實例——谷氨酸發酵P23②嚴格控制發酵條件，使發酵全過程處于最佳狀態?！l酵工程的中心環節?。?！5.發酵罐內發酵發酵產物類型獲得產品的方法微生物細胞代謝物過濾、沉淀等方法適當的提取、分離和純化措施6.產品的分離、提純7.獲得產品選育菌種擴大培養配置培養基滅菌接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品①從自然界中篩選的常規菌種①配置原則：目的明確、營養協調、pH適宜①目的：防止雜菌污染①檢測培養液中的微生物數量、產物濃度等地位：中心環節②通過誘變育種或基因工程育種獲得②營養構成：水、無機鹽、碳源、氮源等②對象：培養基和發酵罐②及時添加必需的營養物質組分來延長菌體生長穩定期的時間，以得到更多的發酵產物②代謝物：適當的提取、分離和純化措施③嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發酵條件③注意：培養基使用前要經過反復試驗才能用于大規模生產條件：環境條件穩定、溫和，利于菌種生長繁殖目的：增加菌種數量所用培養基：液體培養基或固體培基①菌體本身：過濾、沉淀監控途徑小結思考?討論發酵工程基本環節分析1.微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？產物方面目的產物多，副產物少設備方面發酵條件容易控制菌體方面菌體生長繁殖力強，耐受力強，抗污染、菌種不易變異、退化原料方面來源廣，低成本、轉化率高2.怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？01反復試驗確定培養基的配方。對培養基和發酵設備進行嚴格的滅菌。用計算機控制系統對發酵過程進行監測和控制?？刂瓢l酵過程的溫度、pH和溶解氧等發酵條件。及時添加必需營養成分。0203043.在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？傳統發酵技術：產物一般是復雜的混合物，一般不會再對產物進行分離和提純處理，或者僅采用簡單的沉淀、過濾等方法來分離和提純產物。發酵工程：使用的分離和提純產物的方法較多。常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換，液相層析法、結晶法等方法。最后需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。4.在進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液等能直接排放到外界環境中嗎？為什么？不能。發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。要進行二次清潔或滅菌處理后才能排放。在食品工業上的應用在醫藥工業上的應用在農牧業上的應用在其他方面的應用發酵工程的應用產物專一；原料來源豐富且價格低廉；生產條件溫和；廢棄物對環境的污染小和容易處理。四、發酵工程的應用發酵工程的特點1.在食品工業上的應用食品工業是微生物最早開發和應用的領域。一直以來，與發酵有關的食品工業的產量和產值都居于發酵工業的首位。（1）生產傳統的發酵產品，如醬油、各種酒類等實例1：生產醬油大豆黑曲霉蛋白質水解成小分子的肽和氨基酸淋洗、調制醬油實例2：釀酒谷物或水果釀酒酵母酒類啤酒的工業化生產流程發芽焙烤碾磨糖化蒸煮發酵主發酵冷卻大麥種子發芽，釋放淀粉酶。加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活。將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉。淀粉分解，形成糖漿。產生風味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌。酵母菌將糖轉化為酒精和CO2殺死啤酒中的大多數微生物，延長它的保存期。消毒終止后發酵過濾過濾、調節、分裝啤酒進行出售。完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。主發酵結束后，發酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環境下儲存一段時間進行后發酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。1.與傳統的手工發酵相比，在下面啤酒的發酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？

菌種的選育、對原材料的處理、發酵過程的控制，產品的消毒等，都有助于提高啤酒的產量和品質。2.現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何辯證地看待大規模生產與小規模制作？思考?討論啤酒的工業化生產流程2.現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何辯證地看待大規模生產與小規模制作？應該辯證地看待這一產品。一方面，這類產品具有多樣化的特點，能夠滿足一些人對獨特口感的需求，或者滿足一些人的時尚追求。另一方面，這類產品是手工作坊式生產的，存在啤酒品質不穩定、價格昂貴的問題。1.在食品工業上的應用增加食物的營養，改善食品的口味、色澤和品質，延長食品的保存期。（2）生產各種各樣的食品添加劑食品添加劑的作用：實例1：檸檬酸檸檬酸是一種食品酸度調節劑；可以通過黑曲霉的發酵制得。實例2：味精由谷氨酸棒狀桿菌發酵可以得到谷氨酸；谷氨酸經過一系列處理就能制成味精。添加了檸檬酸的飲料添加劑類型舉例酸度調節劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5'-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環狀糊精、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶(3)生產酶制劑種類作用食品直接生產改進生產工藝簡化生產過程改善產品的品質延長食品儲存期提高產品產量α-淀粉酶β-淀粉酶果膠酶脂肪酶氨基肽酶少數由動植物生產，絕大多數通過發酵工程生產?；蚬こ獭⒌鞍踪|工程與發酵工程相結合動植物的基因轉入微生物直接改造微生物病原體的抗原基因轉入微生物發酵工程藥物藥物疫苗2.在醫藥工業上的應用人們可以采用基因工程等的方法直接對菌種進行改造，再通過發酵技術大量生產所需要的產品。改造菌種02人們可以采用基因工程的方法，將植物或動物的基因轉移到微生物中，獲得具有某種藥物生產能力的微生物。工程菌01科學家還利用基因工程，將病原體的某個或某幾個抗原基因轉入適當的微生物細胞，獲得的表達產物就可以作為疫苗使用疫苗03利用經過基因改造的微生物進行發酵生產生長激素釋放抑制激素未來可能用微生物來生產過去只能從植物中提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物將乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌，再通過發酵生產疫苗03微生物飼料02微生物農藥01微生物肥料根瘤菌肥

固氮菌肥等蘇云金桿菌等單細胞蛋白等

增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長，抑制土壤中病原微生物的生長

生物防治的重要手段，將在農業的可持續發展方面發揮越來越重要的作用。

微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高。3.在農牧業上的應用微生物農藥防治和化學農藥防治的比較項目微生物農藥防治化學農藥防治防治機理優點缺點利用微生物或代謝物進行防治成本低、無污染，可以維持生態平衡防治速度慢利用化學藥劑（如殺蟲劑、殺鼠劑）等進行防治見效快，操作簡單成本高，污染環境，不利于維持生態平衡解決資源短缺和環境污染問題對極端微生物的利用

利用纖維廢料發酵生產