1、第第3节节 发酵工程及其应用发酵工程及其应用第1章 发酵工程从社会中来 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。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，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。随着高产菌种的选育、发酵它的价格贵如金。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，一瓶规格路。如今，一瓶规格160160万单位的青霉素注射剂万单位的青霉素注射剂的价格只要的价格只要1 1元左右。元左右。那么，在工业上，青霉素那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？究竟是怎样生产
2、的呢？2022-1-12选育高选育高产菌种产菌种扩大扩大培养培养配制培配制培养基养基灭菌灭菌接种接种发酵罐发酵罐内发酵内发酵分离、提分离、提纯产物纯产物获得获得产品产品一、发酵工程的基本环节一、发酵工程的基本环节1.1.选育菌种选育菌种（1 1）目的：）目的：获得获得_性状优良的菌种性状优良的菌种（2 2）菌种来源：）菌种来源：从自然界中筛选从自然界中筛选、_或或_。诱变育种诱变育种基因工程育种基因工程育种（3 3）实例：）实例：筛选筛选产酸量高的黑曲霉产酸量高的黑曲霉用来生产用来生产柠檬酸柠檬酸；使用使用基因工程改造的啤酒酵母基因工程改造的啤酒酵母，加速发酵、缩短生产周期加速发酵、缩短生产周
3、期； 某镇特产一种美酒某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低，以下是对该镇环境的描述：四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较洼，气候炎热，具有独特的微生物种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要缓慢，所以微生物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重要性有什么启示？性有什么启示？ 优良的菌种不仅具有健壮，优良的菌种不仅具有健壮，不易退化不易退化，其发酵产品的，其发酵产品的产量高、质产量高、质量稳定量稳定等优点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此等优点，它往往还会赋予发酵产
4、品独特的风味，因此菌种选育菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败2.2.扩大培养扩大培养（1 1）目的：）目的：获得获得_更多的菌种更多的菌种（2 2）原因：）原因： 工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的工业发酵罐的体积一般为几十到几百立方米，接入的菌种总体积需要几立方米到几十立方米。菌种总体积需要几立方米到几十立方米。所以，在发所以，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。酵之前还需要对菌种进行扩大培养。3.3.配制培养基：配制培养基：在菌种确定之后，要在菌种确定之后，要_制备培养基。制备培养基。在生产实践中，培养基的配方要经过在生产实
5、践中，培养基的配方要经过_才能确定。才能确定。4.4.灭菌：灭菌：选择原料选择原料反复试验反复试验（1 1）灭菌原因：）灭菌原因： 发酵工程种所用的菌种大多是发酵工程种所用的菌种大多是_，一旦有，一旦有杂菌污染，可能导致杂菌污染，可能导致_。单一菌种单一菌种产量大大降低产量大大降低（2 2）_都必须经过严格的灭菌；都必须经过严格的灭菌；培养基和发酵设备培养基和发酵设备5.5.接种：接种：将将_的菌种投放到的菌种投放到_中中发酵罐发酵罐扩大培养后扩大培养后6.6.发酵罐内发酵发酵罐内发酵发酵工程的中心环节发酵工程的中心环节（1 1）要求：）要求：发酵过程中，要发酵过程中，要_培养液中培养液中_、
6、_等，等，以以_；要及时添加要及时添加_，要严格控制，要严格控制_、_和和_等发酵条件；等发酵条件；随时检测随时检测微生物数量微生物数量产物浓度产物浓度了解发酵进程了解发酵进程必需的营养物质必需的营养物质温度温度pHpH溶氧量溶氧量（2 2）严格控制发酵条件的原因：）严格控制发酵条件的原因：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；物的形成；严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态（3 3）不同发酵条件的影响实例）不同发酵条件的影响实例谷氨酸发酵谷氨酸发酵在在_和
7、和_条件下会积累谷条件下会积累谷氨酸；氨酸；在在_条件下则容易生成谷氨酰条件下则容易生成谷氨酰胺和胺和N N- -乙酰谷胺酰胺；乙酰谷胺酰胺；中性中性弱碱性弱碱性酸性酸性电动机电动机排气管排气管pHpH计计冷却水排出口冷却水排出口冷却夹层冷却夹层发酵液发酵液搅拌叶轮搅拌叶轮生物传感器装置生物传感器装置空气入口空气入口放料管放料管阀门阀门培养物或营养培养物或营养物质的加入口物质的加入口观察孔观察孔取样管取样管温度传感器温度传感器和控制装置和控制装置冷却水冷却水进入口进入口（4 4）现代发酵工程使用的发酵罐的优点）现代发酵工程使用的发酵罐的优点 均有均有_，能对发酵过，能对发酵过程中的温度、程中的
8、温度、pHpH、溶氧量、罐压、通气、溶氧量、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行量、搅拌、泡沫和营养等进行_和和_，还可以进行，还可以进行_，使发，使发酵全过程处于酵全过程处于_；计算机控制系统计算机控制系统监测监测控制控制反馈控制反馈控制最佳状态最佳状态7.7.分离、提纯产物分离、提纯产物方法：方法：发酵产品是发酵产品是微生物细胞本身微生物细胞本身时，可在发酵结束之后，采用时，可在发酵结束之后，采用_、_等方法将菌体等方法将菌体_和和_；发酵产品是发酵产品是代谢物代谢物时，可时，可_采取采取_的的_、_和和_措施来获得产品；措施来获得产品；过滤过滤沉淀沉淀分离分离干燥干燥根据产物的性质根据产
9、物的性质适当适当提取提取分离分离纯化纯化8.8.获得产品获得产品：单细胞蛋白单细胞蛋白味精味精1.1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？因素？在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；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；生产所需代谢物的产量高；发酵条件易控制；发酵条件易控制；菌种不易变异，退化等。菌种不易变异，退化等。2.2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？反复试验确定培养基的配方；对培养基和发酵设备进行反复试验确定培养基的配方；对培养基
10、和发酵设备进行严格的灭菌；随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度严格的灭菌；随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；及时添加必需的营养组分；严格控制温度、等；及时添加必需的营养组分；严格控制温度、pHpH和溶和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制和控制，以及反馈控制3 3. .在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？进之处？ 传统发酵技术获得的产物传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分一般不是单一的组分，而是成分复杂，而是
11、成分复杂的混合物，的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅，或者仅采用采用简单的沉淀、过滤简单的沉淀、过滤等方法来分离提纯产物。等方法来分离提纯产物。 发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换沉淀、萃取、膜分离、吸附或离子交换等方法；等方法；在进一步纯化阶段，会采用在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法液相层析法、结晶法等方法。发酵工等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，程产物无论是代谢物还是菌体本身
12、，都需要进行质量检查都需要进行质量检查，合格，合格后才能成为正式产品后才能成为正式产品4.4.在进行发酵生产时在进行发酵生产时, ,排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗界环境中吗? ?为什么？为什么？ 不能；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。危害环境的物质。 为了为了减少或避免污染物的产生和排放减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产，应，实现清洁生产，应该对排出的气体和废气培养液进行该对排出的气体和废气培养液进行二次清洁或灭菌二次清洁或灭菌处理。处理。
13、二、发酵工程的应用二、发酵工程的应用发酵工程的优点：发酵工程的优点：生产条件温和；生产条件温和；原料来源丰富且价格低廉；原料来源丰富且价格低廉；产物专一；产物专一；废弃物对环境的污染小和容易处理；废弃物对环境的污染小和容易处理； 因此，发酵工程在因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业食品工业、医药工业、农牧业等许多领等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。1.在食品工业上的应用在食品工业上的应用（1 1）生产传统的发酵食品）生产传统的发酵食品实例实例1 1 生产酱油生产酱油大豆大豆黑曲霉黑曲霉蛋白质水解成小分蛋白质水解成小分子的肽
14、和氨基酸子的肽和氨基酸淋洗、调制淋洗、调制酱油酱油实例实例2 2 酿酒酿酒谷物或水果谷物或水果酿酒酵母酿酒酵母酒类酒类啤酒啤酒的工业化的工业化流程流程完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代谢物的生成。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、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。形成澄清、成熟的啤酒。发芽发芽焙烤焙烤碾磨碾磨糖化糖化蒸煮蒸煮发酵发酵主发酵冷冷却却消毒消毒终止终止后发酵过过滤滤1.1.与传统的手工发酵相比，在与传统的手
15、工发酵相比，在下下面啤酒的发酵生产过程中，哪些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、菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、 产品的消产品的消毒毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。等，都有助于提高啤酒的产量和品质。2.2.现在市面上流行一种现在市面上流行一种“精酿精酿”啤酒，它的制作工艺与普通啤酒啤酒，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。有人认为饮用有人认为饮用“精酿精酿”啤酒比饮
16、用啤酒比饮用“工业工业”啤酒更健康，你怎么啤酒更健康，你怎么看待这个问题看待这个问题？“精酿精酿”啤酒是小规模酿造产品，发酵时间长、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，我们如何产量低和价格高，却依然有着市场需求，我们如何辩证地辩证地看待大看待大规模生产规模生产与与小规模制作？小规模制作？ 应该辩证地看待这一产品。应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的一方面，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。尚追求。另方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒
17、品质另方面，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。不稳定、价格昂贵的问题。 增加食物的营养，改善食品的口味、色增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期泽和品质，延长食品的保存期（2 2）生产食品添加剂）生产食品添加剂食品添加剂的作用：食品添加剂的作用：实例实例11柠檬酸柠檬酸柠檬酸是一种食品柠檬酸是一种食品酸度调节剂酸度调节剂；可以通过可以通过黑曲霉黑曲霉的发酵制得；的发酵制得；实例实例22味精味精由由谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸；发酵可以得到谷氨酸；谷氨酸谷氨酸经过一系列处理就能制成味精；经过一系列处理就能制成味精；常见的食品添
18、加剂常见的食品添加剂添加剂类型添加剂类型举例举例酸度调节剂酸度调节剂L-L-苹果酸、柠檬酸、乳酸苹果酸、柠檬酸、乳酸增味剂增味剂5-5-肌苷酸二钠、谷氨酸钠肌苷酸二钠、谷氨酸钠着色剂着色剂-胡萝卜素、红曲黄色素胡萝卜素、红曲黄色素增稠剂增稠剂黄原胶、黄原胶、-环状糊精、结冷胶环状糊精、结冷胶防腐剂防腐剂乳酸链球菌素、溶菌酶乳酸链球菌素、溶菌酶（3 3）生产酶制剂）生产酶制剂常见酶制剂常见酶制剂-淀粉酶、淀粉酶、-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶酶制剂应用酶制剂应用 食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善
19、产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等；品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等；酶制剂来源酶制剂来源少数由动植物生产；少数由动植物生产；绝大多数通过发酵工程生产绝大多数通过发酵工程生产；2.2.在医药工业上的应用在医药工业上的应用（1 1）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，）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获得具有某种药物生产能力的微生物实例：实例：利用经过基因改造的微生物生产利用经过基因改造的微生物生产生长激素释放抑制激素生长激素释放抑制激素；利用基因工程改造的微生物生产利用基因工程改造的微生物生产疫
20、苗疫苗。将病原体的某个或。将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就某几个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。如某种乙肝疫苗的生产。可以作为疫苗使用。如某种乙肝疫苗的生产。（2 2）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）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实例：青霉素高产菌株的培育实例：青霉素高产菌株的培育利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的利用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、青蒿紫杉醇、青蒿素前体素前体等化合物；等化合物；3.在农牧业上的应用在农牧业上的应用（1 1）生产微生物肥料）生产
21、微生物肥料微生物肥料的种类：微生物肥料的种类：根瘤菌肥、固氮菌肥根瘤菌肥、固氮菌肥微生物肥料的作用：微生物肥料的作用：生物肥料利用了微生物在生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质活性物质等来增等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长；有的微生物肥料可以有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长抑制土壤中病原微生物的生长，从而，从而减少病害的发生减少病害的发生. .（2 2）生产微生物农药）生产微生物农药微生物农药的作用机理：微生物农药的作用机理： 利用利用微生物或其代谢物微生物或其代谢物来防治病虫害来防
22、治病虫害实例：实例： 苏云金杆菌苏云金杆菌 防治防治8080多种农林虫害多种农林虫害。白僵菌白僵菌 防治玉米螟、松毛虫等虫害。防治玉米螟、松毛虫等虫害。井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素）井冈霉素（一种放线菌产生的抗生素） 防治水稻枯纹病。防治水稻枯纹病。防治类型：防治类型：生物防治生物防治（3 3）生产微生物饲料）生产微生物饲料原理：原理： 微生物含有微生物含有丰富的蛋白质丰富的蛋白质，且，且繁殖速度快繁殖速度快实例实例11单细胞蛋白单细胞蛋白 以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业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废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体微生
23、物菌体，即单细胞即单细胞蛋白；蛋白；单细胞蛋白应用：单细胞蛋白应用：单细胞蛋白生产过程：单细胞蛋白生产过程：食品添加剂、微生物饲料食品添加剂、微生物饲料；单细胞蛋白成分：单细胞蛋白成分：不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质不仅含有丰富的蛋白质，还含有糖类、脂质和维生素等物质实例实例2-2-乳酸菌乳酸菌在青贮饲料中添加乳酸菌，可以在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质提高饲料的品质，使饲料，使饲料保鲜保鲜，动物食用后还能动物食用后还能提高免疫力提高免疫力。4.在其他方面的应用在其他方面的应用（1 1）解决资源短缺与环境污染问题）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，随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功已取得成功（2 2）将极端微生物应用于生产实践）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自然界中还存在着一定数量的极端微生物极端微生物，它们能在它们能在极端恶劣的环境极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等（高温、高压、高盐和低温等环境）环境）中正常生活中正常生活。极端微生物：极端微生物：举例：举例：嗜热菌、嗜盐菌可以用来嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂生产洗涤剂嗜低温菌有助于嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量提高热敏性产品的产量。
