第3節發酵工程及其應用青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量，價格貴如金。隨著高產菌種的選育、發酵技術的發展等，青霉素步入了產業化生產的道路。如今，一瓶規格160萬單位青霉素注射劑的價格只要1元左右。

在工業上，青霉素是怎樣生產的？對發酵原理的認識微生物純培養技術建立密閉式發酵罐設計成功嚴格控制環境條件(溫度、pH、溶解氧、壓強、營養物、泡沫等)大規模生產發酵產品微生物的特定功能現代化工程技術利用微生物的特定功能，通過現代化工程技術，生產對人類有用的物質的技術體系。

——發酵工程發酵工程的概念在青霉素生產過程中如果有雜菌污染，某些雜菌會分泌青霉素酶，將青霉素分解掉。生產檸檬酸生產啤酒生產青霉素生產味精黑曲霉啤酒酵母黃青霉谷氨酸棒狀桿菌在菌種確定之后，要選擇原料制備培養基。在生產實踐中，培養基的配方要經過反復試驗才能確定。接種選育菌種制備培養基擴大培養滅菌發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品性狀優良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或基因工程育種獲得。工業發酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發酵之前還需要對菌種進行擴大培養發酵工程中所用的菌種大多數是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。因此，培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌。現代發酵工程使用的大型發酵罐均有計算機控制系統，能對發酵過程中的溫度、pH、溶解氧、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。電動機排氣管pH計冷卻水排出口冷卻夾層發酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管閥門培養物或營養物質的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進入口

這是發酵工程的中心環節。在發酵過程中，要隨時檢測培養液中微生物的數量、產物的濃度等，以了解發酵進程。還要及時添加必需的營養組分，要嚴格控制溫度、pH和溶解氧等發酵條件。

環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成。如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產品。如果產品是代謝物，可根據產物的性質采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品。發酵工程的基本環節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？思考·討論在低成本的培養基上能迅速生長繁殖；生產所需代謝物的產量高；發酵條件容易控制；菌種不易變異、退化等。2.怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？通過計算機控制系統，對大型發酵罐內的發酵條件進行控制。發酵工程的基本環節3.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？傳統發酵技術獲得的產物一般是成分復雜的混合物，很多時候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。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。因為在進行發酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環境的物質。在發酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。在產物的初分離階段，常采用沉淀、萃取、膜分離、吸附和離子交換等方法，在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。最后都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。發酵工程的基本環節產物專一生產條件溫和原料來源豐富且價格低廉廢棄物對環境污染小且容易處理發酵工程的特點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發酵工程的應用在食品工業上的應用1.生產傳統發酵產品醬油大豆(主要原料)黑曲霉(蛋白酶)小分子肽和氨基酸淋洗、調制(1)醬油的生產谷物或水果釀酒酵母各種酒類(2)各種酒類的生產發酵工程的應用發芽焙烤碾磨糖化蒸煮發酵消毒終止加啤酒花冷卻過濾主發酵后發酵酵母菌繁殖，大部分糖分解和代謝物生成。在低溫、密閉的環境下儲存一段時間，形成澄清、成熟的啤酒。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。1.與傳統的手工發酵相比，啤酒發酵生產過程中，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？啤酒的工業化生產流程：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生產的，存在啤酒品質不穩定，價格昂貴的問題。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?啤酒的工業化生產流程：2.生產各種各樣的食品添加劑添加劑類型酸度調節劑增味劑著色劑增稠劑防腐劑添加了檸檬酸的飲料增加食品的營養改善食品的口味、色澤和品質延長食品的保存期食品添加劑的作用在食品工業上的應用發酵工程的應用3.生產酶制劑食品直接生產改進生產工藝簡化生產過程提高產品產量延長食品儲存期改善產品的品質和口味酶制劑的作用酶制劑果膠酶脂肪酶α-淀粉酶β-淀粉酶氨基酸肽酶在食品工業上的應用發酵工程的應用在農牧業上的應用1.生產微生物肥料2.生產微生物農藥3.生產微生物飼料利用微生物在代謝過程中產生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力、改良土壤結構、促進植株生長、增強植物抗病性和抗逆性。利用微生物或其代謝物來防治病蟲害。以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業廢料等為原料，通過發酵獲得的大量微生物菌體。——單細胞蛋白發酵工程的應用在醫藥工業上的應用基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合動植物的基因微生物直接改造微生物轉入微生物病原體的抗原基因轉入發酵工程藥物藥物疫苗各種抗生素多種氨基酸多種激素多種免疫調節劑發酵工程的應用在其他方面的應用1.解決資源短缺和環境污染問題利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質2.對極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環境）的利用利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產洗滌劑嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量發酵工程的應用1.下列關于發酵工程的說法，正確的是（）A.菌種都是從自然界獲得的天然菌種B.若目的菌種是優勢種群，培養基就不需要滅菌C.發酵工程用的培養基是液體培養基D.培養基從一開始就按比例配好，中途不能更改2.發酵工程的基本環節不包括()A.生產菌種的選育B.發酵溫度等條件的控制C.發酵罐的設計與生產D.產物的提取、分離與純化課堂練習3.右圖是發酵工程常用的發酵罐的結構示意圖，請據圖回答下列問題。(1)在發酵前，需用

法對整個發酵罐進行滅菌，為保證該過程的實施，整個發酵罐必須是

的。(2)在發酵過程中，電動機不停帶動攪拌葉輪轉動，這樣做的目的是___________________________________________________________________。

(3)冷卻水是為了帶走微生物進行

產生的熱量，以維持發酵液溫度的穩定，若溫度過高，會影響微生物

，導致