第1章发酵工程 第3节 发酵工程及其应用 2024/7/13
第3节 发酵工程及其应用 第1章 发酵工程 2024/7/13
问题探讨 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。 早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的 价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发 展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶 用调雷 规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右 160园 。那么，在工业上，青霉素究竞是怎样生产的呢？ 扩大 青霉素 选育高 产菌种 培养 接种 发酵罐 分离、提 配制培 内发酵 纯产物 → 获得产品 养基 灭菌 2024/7/13
2024/7/13 问题探讨 青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。 早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，它的 价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发 展等，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，1瓶 规格160万单位的青霉素注射剂的价格只要1元左右 。那么，在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？ 青霉素 选育高 产菌种 扩大 培养 配制培 养基 灭菌 接种 发酵罐 内发酵 分离、提 纯产物 获得产品
某镇特产一种美酒，以下是对该镇环境的描述： 四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物 种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生 物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重 要性有什么启示？ 我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长 繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不 仅具有健牡，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优 点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节 很大程度上决定了生产发酵产品的成败。 2024/7/13
2024/7/13 某镇特产一种美酒 ，以下是对该镇环境的描述： 四面环山，地势低洼，气候炎热，具有独特的微生物 种群，因为与外界的空气对流循环较缓慢，所以微生 物种群较稳定。这对你理解发酵工程中菌种选育的重 要性有什么启示？ 我国幅员辽阔，地理生态环境多样，为各种微生物的生长 繁殖提供了条件，这有利于发酵工程选育菌种。优良的菌种不 仅具有健壮，不易退化，其发酵产品的产量高、质量稳定等优 点，它往往还会赋予发酵产品独特的风味，因此菌种选育环节 很大程度上决定了生产发酵产品的成败
一、发酵工程的基本环节 1.选育菌种：性状优良的菌种可以从自 2.扩大培养：工业发酵罐的 然界中筛选出来，也可以通过诱变育种 体积一般为几十到几百立方 或基因工程育种获得。生产柠檬酸就需 → 米，接入的菌种总体积需要 要筛选产酸量高的黑曲霉。在啤酒生产 几立方米到几十立方米。所 中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可 以，在发酵之前还需要对菌 以加速发酵过程，缩短生产周期。 种进行扩大培养。 5.接种： 将扩大 培养的 4.灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是 菌种投 3.配制培养基：在菌种 单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致 放到发 确定之后，要选择原料 ◆ 制备培养基。在生产实 产量大大下降。例如，在青霉素生产过 酵罐中 程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌 践中，培养基的配方要 青霉素酶将青霉素分解掉。因此，培养 经过反复试验才能确定。 基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 2024/7/13
2024/7/13 一、发酵工程的基本环节 1.选育菌种：性状优良的菌种可以从自 然界中筛选出来，也可以通过诱变育种 或基因工程育种获得。生产柠檬酸就需 要筛选产酸量高的黑曲霉。在啤酒生产 中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可 以加速发酵过程，缩短生产周期。 2.扩大培养：工业发酵罐的 体积一般为几十到几百立方 米，接入的菌种总体积需要 几立方米到几十立方米。所 以，在发酵之前还需要对菌 种进行扩大培养。 3.配制培养基：在菌种 确定之后，要选择原料 制备培养基。在生产实 践中，培养基的配方要 经过反复试验才能确定。 4.灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是 单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致 产量大大下降。例如，在青霉素生产过 程中如果污染了杂菌，某些杂菌会分泌 青霉素酶将青霉素分解掉。因此，培养 基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。 5.接种： 将扩大 培养的 菌种投 放到发 酵罐中
6.发酵罐内发酵：这是发酵工程的中心环 电动机 节。在发酵过程中，要随时检测培养液中 排气管 pH计 的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵 培养物或营养 物质的加入口 进程。还要及时添加必需的营养组分，要 观察孔 严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 取样管 冷却水排出口 环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖， 冷却夹层 而且会影响微生物代谢物的形成。例如， 温度传感器 发酵液 和控制装置 搅拌叶轮 谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件 生物传感器装置 下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形 冷却水 成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 进入口 优点：现代发酵工程使用的大型发酵罐均有 空气入口 计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、阀门 pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和 放料管 营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控 制，4使发酵全过程处于最佳状态
2024/7/13 6.发酵罐内发酵：这是发酵工程的中心环 节。在发酵过程中，要随时检测培养液中 的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵 进程。还要及时添加必需的营养组分，要 严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。 环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖， 而且会影响微生物代谢物的形成。例如， 谷氨酸的发酵生产：在中性和弱碱性条件 下会积累谷氨酸；在酸性条件下则容易形 成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。 电动机 排气管 pH计 冷却水排出口 冷却夹层 发酵液 搅拌叶轮 生物传感器装置 空气入口 放料管 阀门 培养物或营养 物质的加入口 观察孔 取样管 温度传感器 和控制装置 冷却水 进入口 优点：现代发酵工程使用的大型发酵罐均有 计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、 pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和 营养等进行监测和控制；还可以进行反馈控 制，使发酵全过程处于最佳状态
7.分离、提纯产物：如果发 酵产品是微生物细胞本身， 可在发酵结束之后，采用过 滤、沉淀等方法将菌体分离 和干燥，即可得到产品。如 ◆ 8.获得产品 果产品是代谢物，可根据产 物的性质采取适当的提取、 分离和纯化措施来获得产品。 2024/7/13
2024/7/13 7.分离、提纯产物：如果发 酵产品是微生物细胞本身， 可在发酵结束之后，采用过 滤、沉淀等方法将菌体分离 和干燥，即可得到产品。如 果产品是代谢物，可根据产 物的性质采取适当的提取、 分离和纯化措施来获得产品。 8.获得产品
思考·讨论·发酵工程基本环节分析 1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？ 需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生 产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？ 要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微 生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。 3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进 之处？ 传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分， 而是成分复杂的 混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简 单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程中使用的分离 和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、 2024/7/13
2024/7/13 思考·讨论·发酵工程基本环节分析 1.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素? 2.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要? 3.在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进 之处? 需要考虑的因素包括 ： 在低成本的培养基上能迅速生长繁殖 ； 生 产所需代谢物的产量高 ； 发酵条件容易控制 ； 菌种不易变异、退化等 。 要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微 生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。 传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分， 而是成分复杂的 混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简 单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。在发酵工程中使用的分离 和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取
膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层 析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都 需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界 环境中吗？为什么？ 不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有 危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生 产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。 2024/7/13
2024/7/13 膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层 析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都 需要进行质量检查，合格后才能成为正式产品。 4.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界 环境中吗?为什么？ 不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有 危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生 产，应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理
二、发酵工程的应用 发酵工程的优点： ①生产条件温和；②原料来源丰富且价格低廉； ③产物专一；④废弃物对环境的污染小和容易处理。 因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等 许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工 业。 2024/7/13
2024/7/13 二、发酵工程的应用 发酵工程的优点： ①生产条件温和；②原料来源丰富且价格低廉； ③产物专一；④废弃物对环境的污染小和容易处理。 因此，发酵工程在食品工业、医药工业、农牧业等 许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工 业
1.在食品工业上的应用 (1)生产传统的发酵产品：如酱油、各种 酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量 明显提高。 实例：①以大豆为主要原料，利用产生蛋白 酶的霉菌（如黑曲霉），将原料中的蛋白质水 解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调 制成的酱油产品。 ②以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发 酵生产的各种酒类。 2024/7/13
2024/7/13 1.在食品工业上的应用 （1）生产传统的发酵产品：如酱油、各种 酒类等。发酵工程使这些产品的产量和质量 明显提高。 实例：①以大豆为主要原料，利用产生蛋白 酶的霉菌(如黑曲霉),将原料中的蛋白质水 解成小分子的肽和氨基酸，然后经淋洗、调 制成的酱油产品。 ②以谷物或水果等为原料，利用酿酒酵母发 酵生产的各种酒类