1.3發酵工程及其應用

學習目標1.通過分析現代工業發酵的原理、它與傳統發酵技術的區別及其用到的現代化的工程技術，建構發酵工程的概念，概述發酵工程的基本環節。2.發展工程思維，認同發酵工程為人類提供了多樣的生物產品。

情境視頻發酵工程

發酵工程的基本環節一

發酵工程的應用二目錄一

發酵工程的基本環節一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)大規模生產發酵產品微生物的特定功能現代化工程技術利用微生物的特定功能，通過現代化工程技術，生產對人類有用的物質的技術體系。——發酵工程配置培養基選育菌種擴大培養滅菌接種發酵罐內發酵分離、提純產物獲得產品一

發酵工程的基本環節一一

發酵工程的基本環節一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接種選育菌種配制培養基擴大培養滅菌現代發酵工程使用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、

、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和

等進行監測和控制；還可以進行

控制，使發酵全過程處于最佳狀態。發酵罐內發酵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。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。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。生產青霉素黃青霉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。一

發酵工程的基本環節一接種選育菌種配制培養基擴大培養滅菌發酵罐內發酵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、

、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和

等進行監測和控制；還可以進行

控制，使發酵全過程處于最佳狀態。分離、提純產物獲得產品

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、

等，以了解發酵進程。還要及時添加必需的

，要嚴格控制溫度、pH和

__

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。產物濃度營養組分溶解氧如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束之后，采用

、沉淀等方法將菌體分離和

，即可得到產品。如果產品是代謝物，可根據產物的

采取適當的提取、分離和

措施來獲得產品。溶解氧營養反饋過濾干燥性質純化電動機排氣管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發酵工程基本環節分析及應用任務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發酵條件易控制；④菌種不易變異，退化等。發酵工程基本環節分析及應用任務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，以及反饋控制要對溫度、pH、溶解氧等發酵條件進行嚴格控制，使其最適合微生物的生長繁殖，同時及時添加必要的營養組分。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抽取樣本進行檢測調節罐溫（放氣）調節罐壓使微生物與發酵液混合均勻，加快O2的溶解以及散熱控制溶解氧電動機D1排氣管C3pH計B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發酵液攪拌葉輪D2生物傳感器裝置B4空氣入口A4放料管A2A3閥門A1培養物或營養物質的加入口B1觀察孔B2取樣管B5溫度傳感器和控制裝置C1冷卻水進入口裝置編號主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2控制培養物以一定速度進入、流出發酵罐，實現連續培養控制溶解氧通過肉眼觀察、儀器檢測等監控發酵條件以及發酵過程，B2處抽取樣品進一步檢測通過控制冷水流速調節罐溫調節罐壓電機帶動葉輪轉動進行攪拌，使微生物與發酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱一

發酵工程的應用二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利用黑曲霉生產檸檬酸谷氨酸棒狀桿菌生產味精利用黑曲霉生產醬油利用酵母菌生產酒類淀粉酶、果膠酶、脂肪酶和氨基肽酶等一

發酵工程的應用二傳統的發酵產品明顯提高產品的產量和質量食品添加劑增加食品的營養，改善食品的口味、色澤和品質，延長食品的保存期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品產量等方面(一)在食品工業上的應用酶制劑一

發酵工程的應用二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。一

發酵工程的應用二啤酒的工業化生產流程蒸煮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一

發酵工程的應用二啤酒的工業化生產流程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。一

發酵工程的應用二啤酒的工業化生產流程一

發酵工程的應用二人們可以采用基因工程等的方法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。改造菌種人們可以采用基因工程的方法，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;工程菌科學家還利用基因工程，將病原體的某個或某幾個抗原基因轉入適當的微生物細胞，獲得的表達產物就可以作為疫苗使用疫苗利用經過基因改造的微生物進行發酵生產生長激素釋放抑制激素未來可能用微生物來生產過去只能從植物中提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物將乙型肝炎病毒的抗原基因轉入酵母菌，再通過發酵生產疫苗(二)醫藥工業上的應用一

發酵工程的應用二微生物飼料微生物農藥微生物肥料根瘤菌肥

固氮菌肥等蘇云金桿菌等單細胞蛋白等增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長，抑制土壤中病原微生物的生長生物防治的重要手段，將在農業的可持續發展方面發揮越來越重要的作用。生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高。(三)在農牧業上的應用一

發酵工程的應用二解決資源短缺和環境污染問題對極端微生物的利用(四)在其他方面的應用核心歸納

發酵工程傳統發酵技術不同點菌種通過微生物

技術篩選或其它技術生產的優良菌種，大多是

菌種原材料中天然存在的

菌種發酵方式

發酵為主固體發酵或__________發酵為主對發酵條件的控制嚴格_______操作，防止雜菌污染。通過

技術對發酵條件精確地控制，使發酵條件處于最佳狀態。不是無菌操作，容易受到

染。對發酵條件不能嚴格控制，易受

影響。生產規模和產品生產規模大，實現了工業化生產。原料來源豐富，成本_____，產物_____，產量_____。通常是

或作坊式的，產量低。生產往往受

和原料限制。產品風味品種比較_____，質量

。相同點都是利用了__________的作用聯系發酵工程是在傳統發酵技術的基礎上發展起來的純培養單一混合液體半固體無菌現代工程雜菌外界條件低多樣高家庭式季節單一不穩定微生物1.下列關于微生物發酵過程的說法，正確的是(

)A．菌種選育、擴大培養及配制培養基和滅菌是發酵工程的中心環節B．只要不斷地向發酵罐中通入液體培養基，就能保證發酵的正常進行C．在發酵工程的發酵環節中，發酵條件會影響微生物的生長繁殖，也會影響微生物的代謝途徑D．在發酵過程中，要嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發酵條件，不需添加營養組分C

C

跟蹤訓練2.發酵工程的內容包括菌種的選育、培養基的配制、滅菌、擴大培養和接種、發酵過程和產品的分離提純等方面。下列關于發酵工程的認識錯誤的是(

)A.發酵工程具有條件溫和、產物單一、污染小的特點B.發酵工程的產品包括微生物的代謝產物和菌體本身C.通常所指的發酵條件包括溫度、溶解氧和pH等D.發酵工程與傳統發酵技術最大的區別是前者可以用微生物進行發酵D跟蹤訓練3.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圖所示。(1)其中發酵過程分為主發酵和后發酵兩個階段。____________________________________________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___________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。(2)焙烤階段的目的是_______________________________；糖化階段的目的是____________________；蒸煮、冷卻、加啤酒花的目的是________________________________________________。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的