1.3

發(fā)酵工程及其應(yīng)用第1章

發(fā)酵工程

新課導(dǎo)入——從社會中來

青霉素是世界上第一個應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學(xué)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(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，1瓶規(guī)格160萬單位的青霉素注射劑的價格只要1元左右。1.那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢?

通過發(fā)酵工程生產(chǎn)2.

什么是發(fā)酵工程？一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.發(fā)酵工程：利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品。對發(fā)酵原理的認(rèn)識微生物純培養(yǎng)技術(shù)的建立密閉式發(fā)酵罐的成功設(shè)計嚴(yán)格控制環(huán)境條件(溫度、pH、溶解氧、壓強、營養(yǎng)物、泡沫等)大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品微生物的特定功能現(xiàn)代工程技術(shù)一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.發(fā)酵工程：利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品。選育菌種擴大培養(yǎng)接種滅菌配制培養(yǎng)基發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品2.基本環(huán)節(jié)：一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種罐內(nèi)發(fā)酵分離提純獲得產(chǎn)品2.

基本環(huán)節(jié)：（1）選育菌種①目的：②菌種來源：獲得性狀優(yōu)良的菌種a.自然界中篩選b.誘變育種c.基因工程育種（常規(guī)菌）（工程菌）③實例：a.篩選產(chǎn)酸量高的

用來生產(chǎn)檸檬酸；b.通過誘變育種篩選高產(chǎn)青霉素菌株；c.使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵、縮短生產(chǎn)周期；黑曲霉產(chǎn)檸檬酸量高的黑曲霉基因工程改造的啤酒酵母菌種是影響發(fā)酵工程產(chǎn)物品質(zhì)的首要因素。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)2.基本環(huán)節(jié)：（2）擴大培養(yǎng)①目的：②原因：③具體做法：獲得更多菌種，縮短生產(chǎn)周期。工業(yè)發(fā)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。（液體培養(yǎng)基）選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種罐內(nèi)發(fā)酵分離提純獲得產(chǎn)品將培養(yǎng)到增長速率最快時期的菌體分開，再進(jìn)行培養(yǎng)。（3）配制培養(yǎng)基①原則：a.培養(yǎng)基應(yīng)包括微生物生長所需的碳源、氮源、水、無機鹽及特殊營養(yǎng)

；b.營養(yǎng)物質(zhì)配比合理，物理、化學(xué)條件適宜，有利于微生物大量合成產(chǎn)物;c.配制的培養(yǎng)基要經(jīng)過反復(fù)試驗才能大規(guī)模使用。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)2.基本環(huán)節(jié)：選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種罐內(nèi)發(fā)酵分離提純獲得產(chǎn)品（4）滅菌①目的：

②實例：避免因雜菌污染而影響產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量。a.雜菌與菌種之間形成種間競爭關(guān)系b.雜菌產(chǎn)生的代謝物抑制菌種的生長使產(chǎn)量下降。在青霉素生產(chǎn)過程中如果污染了雜菌，雜菌分泌青霉素酶就會將青霉素分解掉。（培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過嚴(yán)格滅菌）一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)2.基本環(huán)節(jié)：選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種罐內(nèi)發(fā)酵分離提純獲得產(chǎn)品原因（5）接種：（6）罐內(nèi)發(fā)酵將擴大培養(yǎng)后的菌種投放到發(fā)酵罐中。①要求：（☆☆發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)）a.隨時檢測培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產(chǎn)物的濃度等。②

嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因：b.及時添加必需的營養(yǎng)組分，c.要嚴(yán)格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)2.

基本環(huán)節(jié)：選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離提純獲得產(chǎn)品a.環(huán)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；b.嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，有利于使發(fā)酵全過程處于最佳狀態(tài)（6）罐內(nèi)發(fā)酵③不同發(fā)酵條件的影響實例：（☆☆發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)）一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)2.

基本環(huán)節(jié)：選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離提純獲得產(chǎn)品谷氨酸發(fā)酵a.在中性和弱堿性條件下會積累

；b.在酸性條件下則容易生成

和

；谷氨酸谷氨酰胺N-乙酰谷胺酰胺☆谷氨酸棒狀桿菌的代謝類型為異養(yǎng)需氧型，其與有氧呼吸有關(guān)的酶主要存在于細(xì)胞膜上。

c.其中C:N的比值會影響谷氨酸發(fā)酵過程

C:N=4:1時，菌體大量繁殖，谷氨酸產(chǎn)生量較少；C:N=3:1時，菌體繁殖受抑制，谷氨酸產(chǎn)生量較多。谷氨酸棒狀桿菌抽取樣本進(jìn)行檢測調(diào)節(jié)罐溫調(diào)節(jié)罐壓控制溶解氧。需氧發(fā)酵可通入無菌空氣①增加溶氧量②使微生物與發(fā)酵液充分接觸（混合均勻），提高原料利用率?？刂婆囵B(yǎng)物以一定速度流出發(fā)酵罐，實現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)觀察微生物的生長狀況和產(chǎn)品形成電動機D1排氣管C3pH計B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發(fā)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(yǎng)物或營養(yǎng)物質(zhì)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(jìn)入口—發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵裝置編號主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2控制培養(yǎng)物以一定速度進(jìn)入、流出發(fā)酵罐，實現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)控制溶解氧通過肉眼觀察、儀器檢測等監(jiān)控發(fā)酵條件以及發(fā)酵過程，B2處抽取樣品進(jìn)一步檢測。通過控制冷水流速調(diào)節(jié)罐溫調(diào)節(jié)罐壓電機帶動葉輪轉(zhuǎn)動進(jìn)行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱。（7）分離、提純產(chǎn)物：一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)2.基本環(huán)節(jié)：選育菌種擴大培養(yǎng)配制培養(yǎng)基滅菌接種罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品發(fā)酵產(chǎn)物類型獲得產(chǎn)品的方法過濾、沉淀等方法適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純化措施微生物細(xì)胞代謝物（8）獲得產(chǎn)品：醬油味精啤酒青霉素根瘤菌一、發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？來源廣，低成本、轉(zhuǎn)化率高目的產(chǎn)物多，副產(chǎn)物少繁殖快、代謝旺盛、菌種不易變異、退化發(fā)酵條件容易控制；2.

在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎？不能。發(fā)酵生產(chǎn)時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。要進(jìn)行二次清潔或滅菌處理后才能排放。②產(chǎn)物方面：④設(shè)備方面：③菌體方面：①原料方面：思考?討論

發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析p23項目發(fā)酵工程傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)區(qū)別菌種對發(fā)酵條件的控制產(chǎn)品處理生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品分離和提純產(chǎn)物的方法較多。最后需要進(jìn)行質(zhì)量檢查不會再對產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純處理，或僅采用簡單沉淀、過濾等方法來分離和提純產(chǎn)物。通過微生物純培養(yǎng)技術(shù)篩選或其他技術(shù)生產(chǎn)的優(yōu)良菌種，大多是單一菌種原材料中天然存在的混合菌種嚴(yán)格無菌操作，防止雜菌污染。通過現(xiàn)代工程技術(shù)對發(fā)酵條件精確地控制，使發(fā)酵條件處于最佳狀態(tài)不是無菌操作，容易受到雜菌污染，對發(fā)酵條件不能嚴(yán)格控制，易受外界條件影響生產(chǎn)規(guī)模大，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。原料來源豐富，成本低，產(chǎn)物多樣，產(chǎn)量高通常是家庭式或作坊式的，產(chǎn)量低，生產(chǎn)往往受季節(jié)和原料限制，產(chǎn)品風(fēng)味品種比較單一，質(zhì)量不穩(wěn)定3.

發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比有哪些改進(jìn)之處？二、發(fā)酵工程的應(yīng)用①產(chǎn)物專一②生產(chǎn)條件溫和③原料來源豐富且價格低廉④廢棄物對環(huán)境污染小且容易處理☆發(fā)酵工程的特點（優(yōu)點）1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用4.在其他方面的應(yīng)用☆發(fā)酵工程的應(yīng)用二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品醬油大豆(主要原料)黑曲霉產(chǎn)生蛋白酶小分子肽和氨基酸淋洗、調(diào)制①醬油的生產(chǎn)谷物或水果釀酒酵母無氧條件各種酒類②各種酒類的生產(chǎn)（☆☆是微生物最早開發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域）二、發(fā)酵工程的應(yīng)用【思考·討論】啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程二、發(fā)酵工程的應(yīng)用①發(fā)芽②焙烤③碾磨④糖化⑤蒸煮⑥發(fā)酵冷卻大麥種子發(fā)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。淀粉分解，形成糖漿。產(chǎn)生風(fēng)味組分；終止酶的進(jìn)一步作用；并對糖漿滅菌。酵母菌將糖轉(zhuǎn)化為酒精和CO2殺死啤酒中的大多數(shù)微生物，延長它的保存期。⑦消毒⑧終止過濾過濾、調(diào)節(jié)、分裝啤酒進(jìn)行出售。①使啤酒具有清爽的芳香氣、苦味和反腐劑②形成啤酒優(yōu)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(fā)食欲啤酒花【思考·討論】啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程二、發(fā)酵工程的應(yīng)用①發(fā)芽②焙烤③碾磨④糖化⑤蒸煮⑥發(fā)酵⑦消毒⑧終止完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。在低溫、密閉的環(huán)境下儲存一段時間,形成澄清、成熟的啤酒。主發(fā)酵后發(fā)酵【思考·討論】啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程思考1：酵母菌酒精發(fā)酵過程中為什么要“先通氣后密封”？“通氣”的目的是使酵母菌進(jìn)行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵產(chǎn)生酒精。酒精在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)榇姿帷Ｋ伎?：啤酒生產(chǎn)中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵后期，如果密封不嚴(yán)，會使啤酒變酸，你知道這是發(fā)生了什么變化嗎？二、發(fā)酵工程的應(yīng)用【思考·討論】啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程二、發(fā)酵工程的應(yīng)用【思考·討論】啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程思考3：現(xiàn)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(jìn)行過濾和消毒處理等。有人認(rèn)為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時間長、產(chǎn)量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？類別“精釀”啤酒“工業(yè)”啤酒原料是否添加食品添加劑麥芽汁濃度發(fā)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(dá)2個月短，通常7天左右產(chǎn)量低、價格高產(chǎn)量高、價格低二、發(fā)酵工程的應(yīng)用淀粉淀粉酶黑曲霉葡萄糖檸檬酸合成酶檸檬酸二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用(2)生產(chǎn)食品添加劑增加食品的營養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，有時還可以延長食品的保存期①作用：谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵氧氣谷氨酸處理味精添加劑類型舉例酸度調(diào)節(jié)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(huán)狀糊精、結(jié)冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶②實例：食品添加劑≠違法添加物二、發(fā)酵工程的應(yīng)用1.在食品工業(yè)上的應(yīng)用(3)生產(chǎn)酶制劑從生物體中提取的具有酶特性的一類化學(xué)物質(zhì)。③酶制劑的來源：少數(shù)由動植物生產(chǎn)大多數(shù)通過發(fā)酵工程生產(chǎn)②酶制劑的應(yīng)用：用于食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡化生產(chǎn)過程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長食品儲存期和提高產(chǎn)量等方面。①常見的酶制劑：α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基酸肽酶和脂肪酶等。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用①動植物的基因微生物轉(zhuǎn)入發(fā)酵工程藥物②直接改造微生物藥物微生物③病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入疫苗(1)發(fā)酵工程生產(chǎn)藥物的方法如：利用經(jīng)過基因改造的微生物生產(chǎn)胰島素、紫杉醇、青蒿素前體等。如：青霉素高產(chǎn)菌株的培育。如：某種乙型肝炎疫苗的生產(chǎn)。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用2.在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用(2)應(yīng)用的實例①生產(chǎn)抗生素：

例如應(yīng)用產(chǎn)黃青霉生產(chǎn)青霉素，用于治療腦膜炎、骨髓炎、肺炎等。②生產(chǎn)多種氨基酸：

例如精氨酸可以治療高氨血癥（尿

素合成障礙導(dǎo)致血氨濃度升高）等疾病。③生產(chǎn)激素：利用基因工程改造的微生物生產(chǎn)生長激素釋放抑制激素，用于肢端肥大癥的治療。④生產(chǎn)免疫調(diào)節(jié)劑：例如，利用插入乙型肝炎病毒抗原基因的酵母菌生產(chǎn)乙肝疫苗。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用(1)生產(chǎn)微生物肥料a.利用微生物在代謝過程中產(chǎn)生的有機酸、生活活性物質(zhì)等來增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長。b.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(fā)生。②常見微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥①原理：二、發(fā)酵工程的應(yīng)用3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用(2)生產(chǎn)微生物農(nóng)藥利用微生物或其代謝物來防治病蟲害。微生物或代謝產(chǎn)物防治病蟲害種類蘇云金桿菌80多種農(nóng)林害蟲白僵菌玉米螟、松毛蟲一種放線菌產(chǎn)生的抗生素（井岡霉素）水稻枯紋?、僭恚孩趯嵗孩鄯乐晤愋停?/p>

生物防治

優(yōu)點：成本低、無污染、可以維持生態(tài)平衡；

缺點：防治速度慢；二、發(fā)酵工程的應(yīng)用3.在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用(3)生產(chǎn)微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質(zhì)，而且生長繁殖速度快。②實例：實例1——單細(xì)胞蛋白以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細(xì)胞蛋白；單細(xì)胞蛋白應(yīng)用：單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)過程：食品添加劑、微生物飼料；單細(xì)胞蛋白成分：不僅含有豐富的蛋白質(zhì)，還含有糖類、脂質(zhì)和維生素等物質(zhì)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(zhì)，使飼料保鮮，動物食用后還能提高免疫力。二、發(fā)酵工程的應(yīng)用4.在其他方面的應(yīng)用(2)對極端微生物的利用(1)解決資源短缺和環(huán)境污染問題①利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等；②利用微生物發(fā)酵清理城市廢棄物垃圾；③利用發(fā)酵工程使煙氣脫硫；④還可以利用微生物工程除臭等