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青霉素，它的價格貴如金。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160萬單位的青霉素注射劑的價格只1元左右。那在工業上，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：選育高產菌種擴大培養配制培養基滅菌接種發酵分離提純獲得產品

發酵工程一般包括___________，擴大培養，培養基的配制、______，接種，_______，產品分離、提純等方面。菌種的選育滅菌發酵1.選育菌種（1）目的：獲得_______________。性狀優良的菌種（2）菌種來源：從自然界中篩選、__________或________________。誘變育種基因工程育種（3）實例：篩選產酸量高的黑曲霉用來生產檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發酵、縮短生產周期。一、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何啟示？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，因此菌種選育環節在很大程度上決定了生物發酵產物的成敗。2.擴大培養（1）目的：獲得___________。更多的菌種（2）原因：工業發酵罐的體積很大，接入的菌種總體積也較大。所以在發酵之前需對菌種進行擴大培養。3.配制培養基：①在菌種確定之后，要_________制備培養基。②在生產實踐中，培養基的配方要經過__________才能確定。選擇原料反復試驗4.滅菌：發酵工程種所用的菌種大多是____________，一旦有雜菌污染，可能導致_____________。單一菌種產量大大降低（2）________________都必須經過嚴格的滅菌；培養基和發酵設備（1）滅菌原因：5.接種：將____________的菌種投放到________中。發酵罐擴大培養后6.發酵罐內發酵（1）要求：①發酵過程中，要________培養液中___________、_________等，以____________；②要及時添加_______________，要嚴格控制______、____和________等發酵條件。（2）嚴格控制發酵條件的原因：—發酵工程的中心環節隨時檢測微生物數量產物濃度了解發酵進程必需的營養物質溫度pH溶氧量①環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；②嚴格控制發酵條件，有利于使發酵全過程處于最佳狀態。（3）不同發酵條件的影響實例——谷氨酸發酵①在_____和________條件下會積累谷氨酸；②在_____條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺；（4）現代發酵工程使用的發酵罐的優點均有_______________，能對發酵過程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養等進行_____和_____，還可以進行_________，使發酵全過程處于________。中性弱堿性酸性計算機控制系統監測控制反饋控制最佳狀態7.分離、提純產物①發酵產品是微生物細胞本身時，可在發酵結束之后，采用_____、_____等方法將菌體_____和_____；②發酵產品是代謝物時，可________________采取______的_______、_______和_______措施來獲得產品；8.獲得產品：過濾沉淀分離干燥根據產物的性質適當提取分離純化討論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生產所需代謝物的產量高；③菌種不易變異，退化等；④發酵條件易控制。討論2.怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？①反復試驗確定培養基的配方；②對培養基和發酵設備進行嚴格的滅菌；③隨時檢測培養液中微生物的數量、產物濃度等；④及時添加必需的營養組分；⑤嚴格控制溫度、pH和溶氧量等發酵條件，使用計算機控制系統對各種條件進行監測和控制，以及反饋控制。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、過濾等方法來分離提純產物。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、吸附或離子交換等方法；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，都需要進行質量檢查，合格后才能成為正式產品。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；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。為減少或避免污染物的產生和排放，實現清潔生產，應該對排出的氣體和廢氣培養液進行二次清潔或滅菌處理。發酵工程的優點：①生產條件溫和；②原料來源豐富且價格低廉；③產物專一；④廢棄物對環境的污染小和容易處理；

因此，發酵工程在食品工業、醫藥工業、農牧業等許多領域得到了廣泛的應用，形成了規模龐大的發酵工業。二、發酵工程的應用1.在食品工業上的應用（1）生產傳統的發酵食品利用霉菌發酵生產醬油大豆中蛋白小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉淋洗調制利用釀酒酵母生產各種酒類各種谷物、水果釀酒酵母各種酒類我國是世界上啤酒的生產和消費大國。啤酒是以大麥為主要原料經酵母菌發酵制成的，其工業化生產流程如下圖所示。

其中發酵過程分為主發酵和后發酵兩個階段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的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的不同而有所差異。啤酒的工業化生產流程主發酵結束不適合飲用，要進行后發酵才成啤酒。思考·討論討論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。討論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？應該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。增加食物的營養，改善食品的口味、色澤和品質，延長食品的保存期。（2）生產食品添加劑①食品添加劑的作用：

檸檬酸是一種食品酸度調節劑；可通過黑曲霉的發酵制得；

味精是由谷氨酸棒狀桿菌發酵可以得到谷氨酸后經過一系列處理制成。②實例（3）生產酶制劑①常見酶制劑α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶②酶制劑應用食品的直接生產、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品產量等。③酶制劑來源少數由動植物生產絕大多數通過發酵工程生產2.在醫藥工業上的應用（1）直接對菌種進行改造，再通過發酵技術大量生產所需要的產品。如青霉素高產菌株的培育。（2）采用基因工程將植物或動物的基因轉移到微生物中，獲得具某種藥物生產能力的微生物。①基因改造的微生物生產生長激素釋放抑制激素；③基因工程改造的微生物生產疫苗。如某種乙肝疫苗的生產。②利用微生物生產過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物；3.在農牧業上的應用（1）生產微生物肥料①微生物肥料的種類：根瘤菌肥、固氮菌肥②微生物肥料的作用：

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。微生物肥料可以抑制____________________的生長，從而減少病害的發生。有機酸生物活性物質土壤中病原微生物（2）生產微生物農藥①微生物農藥的作用機理：利用_________或___________來防治病蟲害。②防治類型：生物防治微生物其代謝物③實例：防治80多種農林蟲害防治玉米螟、松毛蟲等蟲害防治水稻枯紋病（3）生產微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質，且繁殖速度快。②實例1——單細胞蛋白

以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，以發酵獲得大量的____________，即單細胞蛋白，并用它制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高。微生物菌體③實例2-乳酸菌在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。4.在其他方面的應用（1）解決資源短缺與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）將極端微生物應用于生產實踐

自然界中的極端微生物能在極端惡劣的環境中（高溫、高壓、高鹽和低溫等環境）正常生活。①極端微生物：②舉例：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（1）發酵工程利用的菌種都是從自然界中篩選出來的。

（）（2）發酵工程的中心環節是選育菌種。

（）（3）發酵工程中要對培養基進行滅菌，發酵設備不用滅菌。

（）（4）利用微生物農藥防治農林蟲害屬于化學防治。

（）（5）微生物飼料主要是利用發酵工程生產的微生物的菌體。

（）1.判斷對錯××××√課堂練習2.關于發酵工程應用的說法錯誤的是（）A.發酵工程的產品可以是微生物的代謝產物B.通過發酵工程可以從微生物中提取一些酶C.通過發酵工程可以從微生物中提取單細胞蛋白D.發酵工程的產品可以是微生物的菌體C3.關于發酵工程說法錯誤的是（）A.依賴微生物純培養技術的建立B.發酵設備都是密封的C.食品、醫藥工業離不開發酵工程D.發酵工程與工農業生產也有密切關系B4.關于發酵工程的菌種說法錯誤的是（）A.發酵工程的菌種可以從自然界中篩選出來B.發酵工程可以利用原材料中含有的菌種C.發酵工程的菌種可以來自基因工程D.發酵工程的菌種可以來自誘變育種B5.關于啤酒生產的流程說法錯誤的是（）A.讓大麥種子發芽的目的是釋放淀粉酶B.焙烤發芽的大麥種子時，淀粉酶喪失活性C.糖化的目的是讓淀粉分解D.蒸煮時終止了酶的作用，并對糖漿進行滅菌B6．某高校采用如圖所示的發酵罐進行葡萄酒主發酵過程的研究，下列敘述錯誤的是（）A.夏季生產果酒時，常需對罐體進行降溫處理B.乙醇為揮發性物質，故發酵過程中空氣的進氣量不宜太大C.正常發酵過程中罐內的壓力不會低于大氣壓D.可以通過監測發酵過程中殘余糖的濃度來決定何時終止發酵B7.發酵工程在工業生產上得到廣泛應用，其生產流程如下圖所示。結合賴氨酸或谷氨酸的生產實際，回答相關問題。（1）圖中①表示的育種方法是_____________