發(fā)酵工程及其應用第一章第三節(jié)本節(jié)聚焦什么是發(fā)酵工程？01發(fā)酵工程的一般流程是什么？02發(fā)酵工程在生產上有哪些重要的價值？03從社會中來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(fā)酵技術的發(fā)展等，青霉素步入了產業(yè)化生產的道路。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。在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產的呢?發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)對發(fā)酵原理的認識微生物純培養(yǎng)技術建立密閉式發(fā)酵罐設計成功嚴格控制環(huán)境條件(溫度、pH、溶解氧、壓強、營養(yǎng)物、泡沫等)大規(guī)模生產發(fā)酵產品發(fā)酵工程：利用微生物的特定功能，通過現(xiàn)代化工程技術，生產對人類有用的物質的技術體系。接種選育菌種制備培養(yǎng)基擴大培養(yǎng)滅菌發(fā)酵罐內發(fā)酵分離、提純產物獲得產品發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)選育菌種生產檸檬酸就需要篩選產酸量高的黑曲霉。使用基因工程改造的啤酒酵母生產啤酒。目的：菌種來源：獲得性狀優(yōu)良的菌種通過不斷誘變選育，得到青霉素產量高的菌株。從自然界中篩選誘變育種基因工程育種檸檬酸黑曲霉啤酒啤酒酵母味精谷氨酸棒狀桿菌選育優(yōu)良的菌種是發(fā)酵工程的首要條件發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)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)酵之前還需要對菌種進行擴大培養(yǎng)，再進行培養(yǎng)。目的：原因：方法：獲得更多的菌種擴大培養(yǎng)逐級擴大培養(yǎng)菌種保藏管→斜面培養(yǎng)→三角瓶培養(yǎng)→種子罐培養(yǎng)發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)培養(yǎng)基要求：案例：滅菌操作：原因：制備培養(yǎng)基滅菌在菌種確定之后，要選擇原料制備培養(yǎng)基。在生產實踐中，培養(yǎng)基的配方要經過反復試驗才能確定。青霉素培養(yǎng)基:碳源主要是工業(yè)用葡萄糖或淀粉的酶水解物，氮源為玉米漿、硫酸銨或氨水，無機鹽主要有硫酸鈉和磷酸二氫鉀等。菌種能大量生產目的產物原料廉價且易于獲得發(fā)酵之前采用高壓蒸汽對發(fā)酵罐、培養(yǎng)基和附屬設備進行滅菌。發(fā)酵工程所用的菌種大多數(shù)是單一菌種。一旦有雜菌污染，可能導致產量大大下降。在青霉素生產過程中如果污染了雜菌，某些雜菌會分泌青霉素酶將青霉素分解掉。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)接種發(fā)酵罐內發(fā)酵D1C3B3C2D2B4A4A2A3A1B1B2B5C1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處抽取樣品進一步檢測。通過控制冷水流速調節(jié)罐溫調節(jié)罐壓電機帶動葉輪轉動進行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱。接種發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)要在發(fā)酵過程中隨時取樣，檢測培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產物濃度等，以了解發(fā)酵進程；及時添加必需的營養(yǎng)物質組分來延長菌體生長穩(wěn)定期的時間，以得到更多的發(fā)酵產物；嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發(fā)酵條件，已獲得所需的發(fā)酵產物。發(fā)酵罐內發(fā)酵是發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)原因：環(huán)境條件會影響微生物的生長繁殖，和微生物代謝物的形成。谷氨酸的發(fā)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。發(fā)酵罐內發(fā)酵發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)分離、提純產物

發(fā)酵產品是微生物細胞本身

發(fā)酵產品是代謝物發(fā)酵液菌體獲得產品過濾、沉淀分離和干燥發(fā)酵液產物提取、分離和純化根據(jù)產物性質項目主要產物微生物菌體細胞酵母菌、食用菌、微生物農藥。微生物酶類各種酶、酶制劑和各種曲類。微生物代謝產物初級代謝產物：氨基酸、蛋白質、維生素等；次級代謝產物：抗生素、生物堿等。微生物轉化產物利用微生物代謝過程中的某種酶或酶系，將一種化合物轉化成含有特殊功能基團的產物。工程菌發(fā)酵產物通過基因工程創(chuàng)造出具有特殊功能的“工程菌”，用發(fā)酵技術生產更多更好的產品。動植物細胞的產物通過大規(guī)模培養(yǎng)木瓜細胞，生產木瓜蛋白酶；利用植物細胞培養(yǎng)技術生產天然食用色素等。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)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？需要考慮的因素包括：在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長繁殖；生產所需代謝物的產量高；發(fā)酵條件容易控制；菌種不易變異、退化等。怎樣對發(fā)酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？要對溫度、pH、溶解氧等發(fā)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(yǎng)組分。在進行發(fā)酵生產時，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？為什么？不能。因為在進行發(fā)酵生產時，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質。為了減少或避免污染物的產生和排放，實現(xiàn)清潔生產,應該對排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液進行二次清潔或滅菌處理。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)在產物分離和提純方面，發(fā)酵工程與傳統(tǒng)發(fā)酵技術相比有哪些改進之處？傳統(tǒng)發(fā)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、過濾等方法來分離和提純產物。發(fā)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、吸附和離子交換等方法；在進一步純化階段，會采用液相層析法、結晶法等方法。發(fā)酵工程產物無論是代謝物還是菌體本身，都需要進行質量檢査,合格后才能成為正式產品。發(fā)酵工程的應用

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(huán)境污染小且容易處理發(fā)酵工程的特點

在食品工業(yè)上的應用

在醫(yī)藥工業(yè)上的應用

在農牧業(yè)上的應用

在其他方面的應用發(fā)酵工程的應用發(fā)酵工程的應用

在食品工業(yè)上的應用食品添加劑傳統(tǒng)發(fā)酵產品酶制劑大豆中蛋白小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉淋洗、調制谷物、水果釀酒酵母酒類添加劑類型舉例酸度調節(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、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶思考·討論啤酒的工業(yè)化生產流程發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵主發(fā)酵消毒終止后發(fā)酵完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。低溫、密閉的環(huán)境下儲存啤酒花冷卻接種過濾加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活產生風味組分，終止酶的作用對糖漿滅菌發(fā)芽的目的：焙烤的目的：蒸煮的目的：產生淀粉酶，分解淀粉

(可以施加外源赤霉素，簡化生產流程)思考·討論啤酒的工業(yè)化生產流程與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在啤酒的工廠化生產中，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(fā)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?，F(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、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“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)模釀造產品，發(fā)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(guī)模生產與小規(guī)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(wěn)定、價格昂貴的問題。發(fā)酵工程的應用

在醫(yī)藥工業(yè)上的應用動植物的基因直接改造微生物病原體的抗原基因發(fā)酵工程藥物各種抗生素多種氨基酸多種激素多種免疫調節(jié)劑藥物疫苗微生物微生物基因工程未來可能用微生物來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發(fā)酵工程的應用

在農牧業(yè)上的應用微生物農藥微生物肥料微生物飼料微生物肥料利用了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。根瘤菌肥、固氮菌肥微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的。是生物防治的重要手段。發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細胞蛋白，用單細胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高單細胞蛋白發(fā)酵工程的應用

在其他方面的應用對極端微生物的利用解決資源短缺和環(huán)境污染問題