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。

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，就可以得到大量青霉素。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：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。一、發酵工程的基本環節發酵工程的基本環節：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、提純產物獲得產品發酵工程的基本環節某鎮特產一種美酒，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？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，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。選育菌種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性狀優良的菌種的來源：從自然界中篩選出來；誘變育種；基因工程育種獲得。擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品菌種特點：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有極強的繁殖能力。

1）若生產的是微生物直接合成的產物，如青霉素、谷氨酸等，則可從自然界中先分離出相應菌種，再用物理或化學的方法誘變育種，從突變個體中篩選出符合生產要求的優良菌種。

2）若生產的是微生物不能合成的產品，則可用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構建工程細胞或工程菌，從而達到生產相應產品目的。選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品擴大培養的原因：工業發酵罐的體積一般為幾十立方米到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。2.方法:增加菌種數量，縮短生產周期1.目的:將培養到生長速度最快時期的菌體分開，再進行培養。選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品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配置的培養基應包括微生物生長所需的碳源、氮源、水、無機鹽及特殊營養要求。③應盡量降低生產成本，以得到更高的經濟效益。④配置的培養基要經過反復試驗才能大規模應用。在菌種確定之后，要選擇原料制備培養基。生產實踐中，培養基配方要經過反復實驗才能確定。選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品①發酵工程所用的菌種大多數是單一菌種。②滅菌的原因：

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抑制菌種的生長使產量下降。③實例：1）在谷氨酸發酵過程中混入放線菌，則放線菌分泌的抗生素會使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡。2）在青霉素生產過程中混入雜菌，這些雜菌會分泌青霉素酶，分解青霉素。選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品①發酵過程的監控：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選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品②發酵過程中為什么還要控制發酵條件呢？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。例如：谷氨酸的發酵生產在中性和弱堿性條件下會積累谷氨酸；在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺；在溶解氧不足時產生乳酸及琥珀酸。[特別提醒]關于發酵罐使用的三點提醒：(1)發酵罐在使用前要進行滅菌，培養基和發酵設備一般用高壓蒸汽滅菌，空氣采用過濾的方法除菌。(2)對于需氧發酵，為了防止雜菌污染，應該從空氣入口通入無菌空氣。(3)攪拌的作用①使空氣和發酵液充分混合，增加培養液中的溶解氧；②使菌種與培養液充分接觸，提高原料利用率。抽取樣本進行檢測調節罐溫控制溶解氧使微生物與發酵液混合均勻，加快O2的溶解以及散熱調節罐壓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（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。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（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。發酵罐示意圖計算機控制系統溫度、pH、溶解氧、灌壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等微生物數量、產物濃度及時添加必需的營養組分使發酵過程處于最佳狀態監測控制檢測微生物的生長繁殖和代謝物的形成影響發酵條件選育菌種擴大培養滅菌配制培養基接種發酵罐內發酵分離提純產物獲得產品發酵產物類型獲得產品的方法微生物細胞代謝物過濾、沉淀等方法分離、提純產物的方法措施：根據其性質采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進行分離、提純；思考討論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在低成本的培養基上能迅速生長繁殖；②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，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。在發酵工程中使用的分離和提純產物的方法較多。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，進一步純化階段，會采用液相層析法、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。思考討論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。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二、發酵工程的應用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①生產傳統的發酵產品直接由微生物發酵生產的酸奶、豆腐乳、泡菜、酸菜等②生產各種各樣的食品添加劑增加食品的營養，改善食品的口味、色澤和品質，有時還可以延長食品的保存期淀粉黑曲霉葡萄糖檸檬酸谷氨酸棒狀桿菌谷氨酸味精檸檬酸合成酶發酵氧氣處理淀粉酶1.在食品工業上的應用常用的幾類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

食品添加劑有23個類別，2000多個品種，包括酸度調節劑、抗結劑、消泡劑、抗氧化劑、漂白劑、膨松劑、著色劑、護色劑、酶制劑、增味劑、營養強化劑、防腐劑、甜味劑、增稠劑、香料等。③生產酶制劑a.概念：從生物體中提取的具有酶特性的一類化學物質。b.來源：少數由動植物生產c.應用：用于食品的直接生產、改進生產工藝、簡化生產過程、改善產品的品質和口味、延長食品儲存期和提高產量等方面。d.產品：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。1.在食品工業上的應用啤酒的工業化生產流程發芽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。將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉。淀粉水解形成糖漿。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發芽焙烤碾磨糖化蒸煮發酵消毒終止加啤酒花冷卻接種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。先“通氣”的目的是使酵母菌進行有氧呼吸大量繁殖；后“密封”的目的是使酵母菌進行酒精發酵產生酒精。思考討論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。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。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使用麥芽、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①采用基因工程的方法,將植物或動物的基因轉移到

中,獲得具有某種藥物生產能力的微生物青霉素的發現和產業化生產推動了發酵工程在醫藥領域的應用和發展。③未來可能用微生物生產過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等。利用工程菌發酵生產生長激素釋放抑制激素④利用基因工程將病原體的抗原基因轉入微生物細胞，制成生物疫苗。通過誘變的青霉菌發酵生產青霉素②直接對

進行改造,再通過發酵技術大量生產所需要的產品微生物菌種通過誘變的青霉菌發酵生產青霉素2.醫藥工業上的應用發酵工程逐步擴展到其他抗生素、多種氨基酸、激素和免疫抑制劑等的生產領域。發酵工程生產藥物的方法基因工程、蛋白質工程與發酵工程相結合發酵工程生產的藥物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①生產微生物肥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。利用微生物代謝物抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發生。3.在農牧業上的應用

常見的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。有的微生物肥料還可以抑制土壤中病原微生物的生長，從而減少病害的發生。②生產微生物農藥利用微生物或其代謝物來防治病蟲害。微生物農藥作為

的重要手段。生物防治3.在農牧業上的應用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的抗生素（井岡霉素）水稻枯紋病③生產微生物飼料微生物含有豐富的蛋白質，而且生