第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用青霉素是世界上第一個(gè)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，價(jià)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，一瓶規(guī)格160萬(wàn)單位青霉素注射劑的價(jià)格只要1元左右。

在工業(yè)上，青霉素是怎樣生產(chǎn)的？對(duì)發(fā)酵原理的認(rèn)識(shí)微生物純培養(yǎng)技術(shù)建立密閉式發(fā)酵罐設(shè)計(jì)成功嚴(yán)格控制環(huán)境條件(溫度、pH、溶解氧、壓強(qiáng)、營(yíng)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)代化工程技術(shù)利用微生物的特定功能，通過(guò)現(xiàn)代化工程技術(shù)，生產(chǎn)對(duì)人類有用的物質(zhì)的技術(shù)體系。

——發(fā)酵工程發(fā)酵工程的概念在青霉素生產(chǎn)過(guò)程中如果有雜菌污染，某些雜菌會(huì)分泌青霉素酶，將青霉素分解掉。生產(chǎn)檸檬酸生產(chǎn)啤酒生產(chǎn)青霉素生產(chǎn)味精黑曲霉啤酒酵母黃青霉谷氨酸棒狀桿菌在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定。接種選育菌種制備培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)滅菌發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品性狀優(yōu)良的菌種可以從自然界中篩選出來(lái)，也可以通過(guò)誘變育種或基因工程育種獲得。工業(yè)發(fā)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(fā)酵之前還需要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)發(fā)酵工程中所用的菌種大多數(shù)是單一菌種，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致產(chǎn)量大大下降。因此，培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌?，F(xiàn)代發(fā)酵工程使用的大型發(fā)酵罐均有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；還可以進(jìn)行反饋控制，使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)排氣管pH計(jì)冷卻水排出口冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪生物傳感器裝置空氣入口放料管閥門(mén)培養(yǎng)物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入口觀察孔取樣管溫度傳感器和控制裝置冷卻水進(jìn)入口

這是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。在發(fā)酵過(guò)程中，要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中微生物的數(shù)量、產(chǎn)物的濃度等，以了解發(fā)酵進(jìn)程。還要及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分，要嚴(yán)格控制溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件。

環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，而且會(huì)影響微生物代謝物的形成。如果發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用過(guò)濾、沉淀等方法將菌體分離和干燥，即可得到產(chǎn)品。如果產(chǎn)品是代謝物，可根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)采取適當(dāng)?shù)奶崛　⒎蛛x和純化措施來(lái)獲得產(chǎn)品。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(shí)需要考慮哪些因素？思考·討論在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長(zhǎng)繁殖；生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高；發(fā)酵條件容易控制；菌種不易變異、退化等。2.怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿足微生物的生長(zhǎng)需要？通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)大型發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵條件進(jìn)行控制。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)3.在產(chǎn)物分離和提純方面，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？傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)獲得的產(chǎn)物一般是成分復(fù)雜的混合物，很多時(shí)候不會(huì)再對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純處理，或者僅采用簡(jiǎn)單的沉淀、過(guò)濾等方法來(lái)分離和提純產(chǎn)物。4.在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，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？為什么？不能。因?yàn)樵谶M(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。在發(fā)酵工程中使用的分離和提純產(chǎn)物的方法較多。在產(chǎn)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(jìn)一步純化階段，會(huì)采用液相層析法、結(jié)晶法等方法。最后都需要進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后才能成為正式產(chǎn)品。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)產(chǎn)物專一生產(chǎn)條件溫和原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉廢棄物對(duì)環(huán)境污染小且容易處理發(fā)酵工程的特點(diǎn)在食品工業(yè)上的應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用在其他方面的應(yīng)用發(fā)酵工程的應(yīng)用發(fā)酵工程的應(yīng)用在食品工業(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(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各種酒類(2)各種酒類的生產(chǎn)發(fā)酵工程的應(yīng)用發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵消毒終止加啤酒花冷卻過(guò)濾主發(fā)酵后發(fā)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(huán)境下儲(chǔ)存一段時(shí)間，形成澄清、成熟的啤酒。菌種的選育、對(duì)原材料的處理、發(fā)酵過(guò)程的控制、產(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，啤酒發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高？啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程：一方面，這類產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)，能夠滿足一些人對(duì)獨(dú)特口感的需求，或者滿足一些人的時(shí)尚追求。另一方面，這類產(chǎn)品是手工作坊生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定，價(jià)格昂貴的問(wèn)題。2.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(guò)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(gè)問(wèn)題?“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低和價(jià)格高，卻依然有著市場(chǎng)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?啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程：2.生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑添加劑類型酸度調(diào)節(jié)劑增味劑著色劑增稠劑防腐劑添加了檸檬酸的飲料增加食品的營(yíng)養(yǎng)改善食品的口味、色澤和品質(zhì)延長(zhǎng)食品的保存期食品添加劑的作用在食品工業(yè)上的應(yīng)用發(fā)酵工程的應(yīng)用3.生產(chǎn)酶制劑食品直接生產(chǎn)改進(jìn)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程提高產(chǎn)品產(chǎn)量延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味酶制劑的作用酶制劑果膠酶脂肪酶α-淀粉酶β-淀粉酶氨基酸肽酶在食品工業(yè)上的應(yīng)用發(fā)酵工程的應(yīng)用在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用1.生產(chǎn)微生物肥料2.生產(chǎn)微生物農(nóng)藥3.生產(chǎn)微生物飼料利用微生物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來(lái)增進(jìn)土壤肥力、改良土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)植株生長(zhǎng)、增強(qiáng)植物抗病性和抗逆性。利用微生物或其代謝物來(lái)防治病蟲(chóng)害。以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)廢料等為原料，通過(guò)發(fā)酵獲得的大量微生物菌體。——單細(xì)胞蛋白發(fā)酵工程的應(yīng)用在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用基因工程、蛋白質(zhì)工程與發(fā)酵工程相結(jié)合動(dòng)植物的基因微生物直接改造微生物轉(zhuǎn)入微生物病原體的抗原基因轉(zhuǎn)入發(fā)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(diào)節(jié)劑發(fā)酵工程的應(yīng)用在其他方面的應(yīng)用1.解決資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)2.對(duì)極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環(huán)境）的利用利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產(chǎn)洗滌劑嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量發(fā)酵工程的應(yīng)用1.下列關(guān)于發(fā)酵工程的說(shuō)法，正確的是（）A.菌種都是從自然界獲得的天然菌種B.若目的菌種是優(yōu)勢(shì)種群，培養(yǎng)基就不需要滅菌C.發(fā)酵工程用的培養(yǎng)基是液體培養(yǎng)基D.培養(yǎng)基從一開(kāi)始就按比例配好，中途不能更改2.發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)不包括()A.生產(chǎn)菌種的選育B.發(fā)酵溫度等條件的控制C.發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)D.產(chǎn)物的提取、分離與純化課堂練習(xí)3.右圖是發(fā)酵工程常用的發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖，請(qǐng)據(jù)圖回答下列問(wèn)題。(1)在發(fā)酵前，需用

法對(duì)整個(gè)發(fā)酵罐進(jìn)行滅菌，為保證該過(guò)程的實(shí)施，整個(gè)發(fā)酵罐必須是

的。(2)在發(fā)酵過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)不停帶動(dòng)攪拌葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣做的目的是___________________________________________________________________。

(3)冷卻水是為了帶走微生物進(jìn)行

產(chǎn)生的熱量，以維持發(fā)酵液溫度的穩(wěn)定，若溫度過(guò)高，會(huì)影響微生物

，導(dǎo)致