1、發酵工程及其應用01發酵工程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。（教材章前語）大規模生產發酵產品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)微生物的特定功能現代化工程技術02發酵工程的基本環節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發酵工程的基本環節和發酵罐示意圖02發酵工程的基本環節選育菌種性狀優良的菌種可以加速發酵過程，縮短生產周期生產檸檬酸生產啤酒生產青霉素黑曲霉啤酒酵母黃青霉黑曲霉蛋白酶某鎮特產一種

2、美酒，以下是對該鎮環境的描述：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。這對你理解發酵工程中菌種選育的重要性有什么啟示?（P22側旁思考欄）我國幅員遼闊，地理生態環境多樣，為各種微生物的生長繁殖提供了條件,這有利于發工程選育菌種。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，它往往還會賦予發酵產品獨特的風味，因此菌種選育環節很大程度上決定了生產發酵產品的成敗。02發酵工程的基本環節選育菌種方法優點：經濟實惠缺點：自發突變頻率低，出現優良性狀可能性小，需要時間長。自然篩選、誘變育種或基因工程育種自然篩選誘變育

3、種或基因工程育種優點：育種時間短、提高發酵產物純度、減少副產物缺點：技術要求高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02發酵工程的基本環節配制培養基滅菌菌種確定之后，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。原因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。滅菌對象培養基和發酵設備實例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。原因：雜菌與菌種之間形成種間競爭關系使產量下降或雜菌產生的代謝物質抑制菌種生長而使

4、產量下降02發酵工程的基本環節發酵罐內發酵中心環節隨時檢測培養液微生物數量、產物濃度，以了解發酵進程。培養物或營養物質的加入口觀察孔取樣管電動機排氣管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溫度傳感器和控制裝置冷卻水進入口閥門放料管檢測和控制：溫度、pH、溶解氧、壓強、通氣量、攪拌、泡沫和營養等。環境條件不僅影響微生物生長繁殖，而且會影響微生物代謝物的形成。02發酵工程的基本環節發酵罐內發酵中心環節思考發酵過程中為什么還要控制發酵條件？發酵生產中溫度、pH、溶氧量等對發酵過程有重大影響。隨著代謝的進行，產熱的增加、營養物質的消耗，以及某些酸性和堿性物質的產生，會使溫度、p

5、H等發生變化， 這些都會對微生物的生長造成不利影響。02發酵工程的基本環節分離、提純產物發酵產品是微生物細胞本身過濾、沉淀發酵產品是代謝物根據產物性質采取適當提取、分離和純化措施思考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不是單一的組分，而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。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，

6、都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。萃取、蒸餾、離子交換03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03發酵工程的應用1.在食品工業上的應用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、調制醬油的生產谷物或水果釀酒酵母各種酒類各種酒類的生產03發酵工程的應用1.在食品工業上的應用生產傳統發酵產品啤酒的工業化生產流程思考討論發芽12焙烤3碾磨4糖化大麥水糖化罐大麥種子發芽，釋放淀粉酶。加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活。將干燥

7、的麥芽碾磨成麥芽粉。淀粉水解形成糖漿。03發酵工程的應用1.在食品工業上的應用生產傳統發酵產品啤酒的工業化生產流程思考討論蒸煮56發酵7消毒8終止產生風味組分，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。過濾、調節、分裝啤酒進行出售。糖漿啤酒花過濾冷卻裝瓶裝罐儲存罐03發酵工程的應用1.在食品工業上的應用生產傳統發酵產品啤酒的工業化生產流程思考討論討論1.啤酒工業化生產流程及操作目的生產流程操作目的發芽產生淀粉酶分解淀粉焙烤加熱殺死胚，終止麥芽生長，減少有機物消耗，保留營養物質，但不使淀粉酶失活碾磨使干燥的麥芽研磨成麥芽粉，便于糖化糖

8、化淀粉酶將淀粉分解，形成糖漿蒸煮產生風味組分；使酶失活；滅菌發酵酵母菌將糖轉化為酒精和CO2消毒殺死啤酒中的大多數微生物，延長保存期終止過濾、調節、分裝、出售討論2.啤酒發酵的過程及內容過程內容主發酵酵母菌的繁殖、糖的分解、代謝物的生成，一般510d后發酵低溫、密閉環境下儲存，一般12個月討論3.啤酒花的作用1.使啤酒具有清爽的芳香氣、苦味和防腐力。2.形成啤酒優良的泡沫。3.有利于麥芽汁的澄清。4.平衡麥芽汁的自然甜度并激發食欲。03發酵工程的應用1.在食品工業上的應用生產各種各樣的食品添加劑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-胡蘿卜素、紅曲

9、黃色素增稠劑黃原膠、-環狀糊精、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌、溶菌酶增加食品的營養延長食品的保存期改善食品的口味、色澤和品質淀粉淀粉酶葡萄糖黑曲霉檸檬酸檸檬酸合成酶谷氨酸棒狀桿菌發酵谷氨酸味精處理氧氣03發酵工程的應用1.在食品工業上的應用生產酶制劑酶制劑：從生物體中提取的具有酶特性的一類化學物質。分 類：胞內酶和胞外酶特 點：易于工業化生產，便于改善工藝、提高質量。舉 例：果膠酶；脂肪酶；-淀粉酶；-淀粉酶；氨基酸肽酶03發酵工程的應用2.在醫藥工業上的應用發酵工程生產的藥物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生產的藥物的方法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

10、轉入發酵工程藥物藥物疫苗03發酵工程的應用3.在農牧業上的應用生產微生物肥料微生物肥料的原理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。利用微生物代謝物抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的的發生。常見微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥03發酵工程的應用3.在農牧業上的應用生產微生物農藥利用微生物或其代謝物來防治病蟲害常見微生物農藥：蘇云金桿菌(Bt毒蛋白):防治80多種農林害蟲白僵菌(真菌):防治玉米螟、松毛蟲放線菌 (井岡霉素):防治水稻枯紋病拓展微生物農藥防治與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

11、理利用微生物或其代謝物來防治蟲害利用化學藥劑（如殺蟲劑、殺鼠劑等）進行防治優點成本低、無污染、可以維持生態平衡見效快，操作簡單缺點防止速度慢成本高、污染環境，不利于維持生態平衡03發酵工程的應用3.在農牧業上的應用生產微生物飼料微生物飼料：以微生物為發酵菌種，將飼料原料轉化為微生物菌體蛋白、生物活性小肽類氨基酸、微生物活性益生菌、復合酶制劑為一體的生物發酵飼料。單細胞蛋白：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。單細胞蛋白不僅含有豐富的蛋白質，還含有糖類、脂質和維生素等物質。常見微生物飼料：青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料品質，使飼料保鮮，動物食用后還能提

12、高免疫力。03發酵工程的應用4.在其他方面的應用a.利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質已取得成功。解決資源短缺與環境污染問題。b.極端微生物的利用嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來生產洗滌劑嗜低溫菌有助于提高熱敏性產品的產量04課后習題1.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

13、物細胞中提取單細胞蛋白。（ ）2.在青霉素的發酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發揮想象力,提出解決這些問題的思路。(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)可以用基因工程的方法，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。04課后習題2.在青霉素的發酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料，并發揮想象力，提出解決這些問題的思路。(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的研究發現，在青霉素與頭孢霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經過兩種不同酶的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。3.通過微生物發酵,可以將糧食(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,就形成了目前在我國多地廣泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的環保性令人稱道。調