第1章發酵工程第3節發酵工程及其應用亞歷山大·弗萊明英國（1881-1955）青霉素之父1945年獲諾貝爾生理學醫學獎從社會中來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青霉素，它的價格貴如金。隨高產菌種的選育、發酵技術的發展等，青霉素步入產業化生產道路。如今，1瓶規格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。那么，在工業上，青霉素究竟是怎樣生產的呢？工業上，青霉素的產生按照發酵工程的基本環節進行：首先進行青霉素生產菌高產菌種的選育；然后將高產菌種進行擴大培養增加菌種數量，同時配制適合青霉素生產菌生長的培養基進行滅菌；在無菌條件下將大量優良高產菌種接種到培養液中，控制溫度、pH、溶解氧等發酵條件進行發酵；發酵結束后進行青霉素的分離、提純選育高產菌種擴大培養配制培養基滅菌接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品從社會中來什么是發酵工程？發酵工程的的一般流程是什么？本節聚焦123發酵工程在生產上有哪些重要的價值？對發酵原理的認識微生物純培養技術建立密閉式發酵罐成功設計嚴格控制環境條件(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工程技術發酵工程概念發酵工程是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。1.發酵工程的基本環節（1）發酵工程概念：利用微生物的特定功能，通過現代化工程技術，規模化生產對人類有用的產品。①微生物：自然界的微生物誘變育種的微生物基因重組的微生物（常規菌）（工程菌）②產品：包括利用酵母菌發酵制造的啤酒、果酒，利用乳酸菌發酵制造的酸奶，及利用工程菌生產的人胰島素。③實質：利用微生物進行產品生產。某鎮特產一種美酒。對該鎮環境的描述：四面環山，地勢低洼，氣候炎熱，具有獨特的微生物種群，因為與外界的空氣對流循環較緩慢，所以微生物種群較穩定。對你理解發酵工程菌種選育重要性有什么啟示？我國幅員遼闊,地理生態環境多樣，為各種微生物生長繁殖提供條件，有利于發酵工程選育菌種。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，往往賦予發酵產品獨特風味，菌種選育環節很大程度決定生產發酵產品成敗。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味精黑曲霉啤酒酵母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。接種選育菌種配制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01（1）常用菌種：主要是細菌、放線菌、酵母菌和霉菌等。（2）菌種特點：

①對周圍環境的溫度、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應能力。

②有極強的消化能力。③有極強的繁殖能力。（3）菌種的來源：

①從自然界中篩選出優良菌種。

②利用誘變育種篩選出符合生產要求的優良菌種。

③利用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造

，構建出能生產相應產品的菌種。01發酵工程的基本環節選育菌種工業發酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大，在進行接種前，要對菌種進行擴大培養。（1）目的：增加菌種的數量，縮短生產周期。（2）方法：將培養到生長速度最快時期的菌體分開，再進行培養。01發酵工程的基本環節擴大培養（1）類型：發酵工程一般使用液體培養基。（2）要求：

①根據菌種的代謝類型，選擇不同的材料配制培養基。

②培養基應滿足微生物在碳源、氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的營養要求，并為微生物提供適宜的pH，以利于產物的合成。

③應盡量降低生產成本，以得到更高的經濟效益。01發酵工程的基本環節配制培養基發酵工程中所用的菌種大多是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。因此，培養基和發酵設備必須經過嚴格的滅菌，接種過程中要注意防止雜菌污染。01發酵工程的基本環節滅菌和接種注意說明通過發酵罐對發酵條件進行控制（1）溫度：通過發酵罐上的溫度傳感器和控制裝置進行監測和調整。（2）溶解氧：通過通氣量和攪拌速度加以調節。（3）pH：通過加料裝置添加酸或堿進行調節，也可以在培養基中添加pH緩沖液。發酵產品分離、提純方法微生物細胞通過過濾、沉淀等方法將菌體分離、干燥代謝物蒸餾、萃取、離子交換等方法分離、提純產物；獲得產品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？①在低成本培養基上能迅速生長繁殖；②生產所需代謝物的產量高；③發酵條件容易控制；④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？要對溫度、pH和溶解氧等發酵條件進行嚴格控制，使其適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必需的營養組分。

思考·討論發酵工程基本環節分析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。要進行二次清潔或滅菌處理后才能排放。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。發酵工程產物，無論是代謝物還是菌體本身，最后都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。思考·討論發酵工程基本環節分析發酵工程的應用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02利用霉菌發酵生產醬油、利用釀酒酵母生產各種酒類：(1)在食品工業上的應用生產傳統的發酵產品，如醬油、各種酒類等大豆中蛋白小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉淋洗、調制各種谷物、水果釀酒酵母各種酒類發酵工程的應用02生產各種各樣的食品添加劑，如食品酸度調節劑——檸檬酸，增味劑——谷氨酸鈉等。生產傳統的發酵產品，如醬油、各種酒類等生產酶制劑，如淀粉酶、果膠酶等。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、溶菌酶發酵工程的應用(1)在食品工業上的應用0219思考討論啤酒的工業化生產流程【釀制啤酒原理】以大麥為主要原料經酵母菌發酵制成的。

啤酒的工業化生產流程

我國是世界啤酒生產和消費大國。啤酒是以大麥為主原料經酵母菌發酵制成，其發酵過程分主發酵和后發酵兩階段。酵母菌繁殖、大部分糖分解和代謝物生成都在主發酵階段完成。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。發酵的溫度和發酵的時間隨啤酒品種和口味要求不同而有所差異。發芽焙烤碾磨糖化蒸煮發酵主發酵消毒終止后發酵完成酵母菌的繁殖，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。啤酒的工業化流程

二.發酵工程的應用思考·討論啤酒的工業化生產流程1.與傳統手工發酵比，上面啤酒發酵過程，哪些使啤酒產量和質量明顯提高？菌種選育、原材料處理、發酵過程控制，產品消毒等啤酒的工業化生產流程2.現市面上流行一種“精釀”啤酒，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？應辯證看待。一方面，這類產品具有多樣化特點，能滿足一些人對獨特口感需求，或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。思考·討論類別“精釀”啤酒“工業”啤酒原料是否添加食品添加劑麥芽汁濃度發酵時間特點只用麥芽、啤酒花、酵母菌和水麥芽、啤酒花、酵母菌、水、大米、玉米、淀粉等不添加添加

較高，口味濃郁較低，口味清淡長，可達2個月短，通常7天左右產量低、價格高產量高、價格低啤酒花主要價值藥用/未成熟綠色果穗：苦，微涼。健胃消食，安神，利尿。用于消化不良，腹脹，浮腫，失眠。園林/用于攀援花架或籬棚。其中，雌花序可制干花。食用/花為釀造啤酒的原料。在啤酒釀造中，啤酒花具有不可替代的作用。注意說明啤酒的工業化生產的五點提醒（1）微生物培養篩選出優良菌種，接種前擴大培養，縮短生產周期。（2）焙烤溫度不能過高，防止淀粉酶失活。（3）蒸煮后糖漿一定冷卻后才能接種，防止高溫殺死酵母菌。（4）發酵中注意控好溫度、pH、通氣、發酵時間等。（5）接種前對發酵罐滅菌，接種時進行無菌操作，防雜菌污染。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通過發酵技術大量生產所需要的產品直接對菌種進行改造通過誘變的青霉菌發酵生產青霉素基因工程將病原體的抗原基因轉入適當的微生物細胞，獲得的表達產物作為疫苗可能用微生物來生產過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物未來發酵工程的應用(2)在醫藥工業上的應用02微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的

、

等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長。生產微生物肥料有機酸生物活性物質利用根瘤菌和固氮菌生產的根瘤菌肥、固氮菌肥發酵工程的應用(3)在農牧業上的應用02微生物農藥是利用

或

來防治病蟲害的。微生物農藥作為

的重要手段生產微生物農藥生產微生物肥料微生物其代謝物生物防治微生物或代謝產物防治病蟲害種類蘇云金桿菌80多種農林害蟲白僵菌玉米螟、松毛蟲一種放線菌產生抗生素（井岡霉素）水稻枯紋病發酵工程的應用(3)在農牧業上的應用02微生物含有豐富的

。生產微生物農藥生產微生物肥料生產微生物飼料蛋白質以淀粉或纖維素水解液、制糖工業廢液等為原料，發酵獲得大量

，即單細胞蛋白，其制成微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高微生物菌體發酵工程的應用(3)在農牧業上的應用02對極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環境）的利用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、乙烯等能源物質利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產洗滌劑發酵工程正滲透到幾乎所有的工農業領域，在助力解決

和

等方面的重大問題上，作出越來越大貢獻。糧食、環境、健康能源發酵工程的應用(4)在其他方面的應用021.與傳統發酵技術相比，發酵工程的產品種類更加豐富，產量和質量明顯提高。判斷下列相關表述是否正確。(1)發酵工程與傳統發酵技術最大的區別就是前者可以利用微生物來進行發酵（）(2)發酵工程的產品主要包括微生物的代謝物、酶及菌體本身。（）(3)在發酵工程的發酵環節中,發酵條件變化不僅會影響微生物的生長繁殖,也會影響微生物的代謝途徑。（）(4)通過發酵工程可以從微生物細胞中提取單細胞蛋白。（）×√√×練習與應用一、概念檢測發酵工程特點：①菌種純、產量大、質量穩定；②大規模生產、高度自動化控制

傳統發酵技術①混合菌種②固體發酵、半固體發酵③家庭式、作坊式制作二、拓展應用1.在青霉素的發酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。(1)青霉素發酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發酵過程中給微生物持續高效地供氧呢？(提示:血紅蛋白具有攜帶O2的能力)可用基因工程方法，將血紅蛋白基因轉入青霉素生產菌來提高菌體對氧的吸收和利用率。(2)在發酵過程中，總有頭孢霉素產生。人們通過對青霉素生產菌代謝途徑研究發現，在青霉素與頭孢霉素合成過程中，它們有一個共同前體，這個前體經過兩種不同酶作用分別合成兩個產物。如何改造青霉素生產菌使其只生產生青霉素，或者只產生頭孢霉素呢？可以對兩種酶的基因進行改造或敲除其中一種酶的基因，從而使青霉素生產菌只生產一種產物。練習與應用2.通過微生物發酵，可將糧食(如玉米、小麥等)及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，形成目前我國多地廣泛使用乙醇汽油。乙醇汽油環保性令人稱道。調查顯示，乙醇汽油與普通汽油比，排放到空氣中的NO2、CO等均有不同程度下降。有人認為燃料乙醇“可再生”；也有人認為，生產燃料乙醇需要消耗大量糧食，會增加糧食短缺的風險。請你評估這一風險，并說明生產時應如何規避。

存在風險。生產燃料乙醇時，為規避這一風險，應使陳化糧食(如陳化的稻谷等)或者非糧食生物材料(如秸稈等)。用陳化糧食來生產燃料乙醇，有利于防止問題糧食流入市場。【復習與提高】1.某化工廠為了處理排出污水中的一種有害的、難以降解的有機化合物A，其研究團隊用化合物A、磷酸鹽、鎂鹽和微量元素等配制了培養基，成功地篩選出能高效降解化合物A的細菌(目的菌)。實驗的主要步驟如下圖所示，請分析冋答問題。(1)在培養基中加入化合物A的目的是

，這種培養基屬于

培養基。篩選出可以降解化合物A的微生物選擇(2)培養若干天后，應選擇培養瓶中化合物A含量

的培養液，接入新的培養液中連續培養，使目的菌的數量

。顯著降低擴增【復習與提高】(3)若要研究目的菌的生長規律，可挑取單個菌落進行液體培養，再采用

方法進行計數。請你預測目的菌的種群數量會發生怎樣的變化。細菌計數板計數S型增長(4)將目的菌用于環境保護實踐時，還有哪些問題需要解決？目的菌能否在自然環境中大量生長繁殖、是否會產生對環境有害的代謝物、降解化合物A后是否會產生二次污染等問題都需要研究清楚后，才能進行實踐。(5)有人提出，可以通過改造細菌的基因來獲得能夠降解化合物A的細菌，請分析這種方法是否可行。可行。這是后面將要學習的基因工程的基本思路。【復習與提高】2.某個高溫日，某校三位高中學生相約去吃冰激凌，之后兩人都出現腹瀉現象，于是他們懷疑冰激凌中的大腸桿菌含量超標。老師建議他們利用學過的有關微生物培養的知識對此冰激凌進行檢測。經過一番資料查閱，他們提出了如下實驗設計思路。立即去賣冰激凌的小店再買一個同樣品牌的同種冰激凌；配制伊紅一亞甲藍瓊脂培養基(該培養基可用來鑒別大腸桿菌，生長在此培養基上的大腸桿菌菌落呈深紫色，并有金屬光澤)、滅菌、倒平板；取10mL剛融化的冰激凌作為原液，然后進行梯度稀釋，稀釋倍數為1x10?1X105；取每個濃度的冰激凌液各0.1mL，用涂布平板法進行接種，每個濃度涂3個平板，一共培養18個平板；在適宜溫度下培養48h,統計菌落數目。【復習與提高】(1)請你從下面幾個角度對這三位同學的思路進行評議。①他們只打算對一個冰激凌進行檢測，理由是：兩個人吃過冰激凌后，都拉肚子了，所以再檢測一個就足以說明問題。你同意這樣的觀點嗎？為什么？不同意。提示：只檢測一個冰激凌數據太少，不