第一章发酵工程第3节 发酵工程及其应用一、发酵工程的基本环节1.发酵工程的基本环节：菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵罐内发酵，产品分离、提纯等方面。（P22）2．选育菌种目的：获得性状优良的菌种。（P22）3.选育方法（菌种来源）：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。（P22）4.菌种选育的重要性（意义）: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，因此菌种选育环节在很大程度上决定了生物发酵产物的成败。5.扩大培养：(1)目的：获得更多的菌种。(2)原因：工业发酵罐的体积一般较大，因此，需要接入的菌种总体积大（数目多）。（P22）(3)扩大培养的培养基：一般为液体培养基。6．配制培养基的要求：（1）在菌种确定之后，（结合菌种代谢特点）选择原料制备培养基。（2）在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。（即不断优化培养基）（P23）7．培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌原因：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。（P23）8.灭菌目的：避免因杂菌污染而影响产品的品质和产量。9．接种：扩大培养的菌种和灭菌后的培养基加入发酵罐中。大型发酵罐有计算机控制系统，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。（P23）10．发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节。（P23）11.发酵罐内发酵严格控制发酵条件的原因：（1）环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且影响微生物代谢物的形成；（2）严格控制发酵条件，有利于使发酵全过程处于最佳状态。12.发酵罐内发酵要求：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。（P23）13.不同发酵条件的影响实例——谷氨酸发酵（1）在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸。（P23）（2）在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。（P23）14.发酵容器：发酵罐。发酵罐结构和用途（1）培养物或营养物质的加入口、放料管、阀门：制培养物以一定速度进入、流出发酵罐，实现连续培养。（2）空气入口：控制溶解氧。（3）观察孔、取样管、pH计、生物传感器装置、温度传感器和控制装置：通过肉眼观察、仪器检测等监控发酵条件以及发酵过程，取样管处抽取样品进一步检测。（4）冷却水进入口、冷却水排出口：通过控制冷水流速调节罐温。（5）排气管：调节罐压。（6）电动机、搅拌叶轮：电机带动叶轮转动进行搅拌，使微生物与发酵液混合均匀，加快氧气溶解以及散热。15.现代发酵工程使用的发酵罐的优点：均有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶氧量、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。（P23）16.产品的分离、提纯的目的：获得产品。17.产品的两种形式：微生物细胞本身、代谢物。（P23）18.分离、提纯产物采取手段：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。（P23）19.微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用菌时，需要考虑哪些因素？（P23）（1）在低成本的培养基上能迅速生长繁殖。（2）生产所需代谢物的产量高。（3）发酵条件易控制。（4）菌种不易变异，退化等。20.怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？（P23）（1）反复试验确定培养基的配方；（2）对培养基和发酵设备进行严格的灭菌；（3）随时检测培养液中微生物的数量、产物浓度等；（4）及时添加必需的营养组分；（5）严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件，使用计算机控制系统对各种条件进行监测和控制，以及反馈控制。21.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？（P23）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、过滤等方法来分离提纯产物。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、吸附或离子交换等方法；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。22.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？（P23）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气培养液进行二次清洁或灭菌处理。23.发酵工程的优点：生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理。补充内容：1.谷氨酸发酵常用菌种为谷氨酸棒状杆菌；2.谷氨酸棒状杆菌的代谢类型为异养需氧型，其与有氧呼吸有关的酶主要存在于细胞膜上；3.C:N的数值也会影响谷氨酸发酵过程：C:N=4:1时，菌体大量繁殖，谷氨酸产生量较少；C:N=3:1时，菌体繁殖受抑制，谷氨酸产生量较多。二、发酵工程的应用1.发酵工程的应用领域：食品工业、医药工业、农牧业等。（P24）2.食品工业是微生物最早开发和应用的领域。（P24）3.发酵工程在食品工业的应用包括：(1)生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类。（P24）(2)生产各种各样的食品添加剂，如通过黑曲霉发酵制得的柠檬酸，由谷氨酸棒状杆菌发酵生产味精。常见的食品添加剂种类：酸度调节剂、增味剂、着色剂、增稠剂、防腐剂。食品添加剂优点：增加食物的营养，改善食品的口味、色泽和品质，延长食品的保存期。（P25）(3)生产酶制剂，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶、脂肪酶等。酶制剂应用：食品的直接生产、改进生产工艺、简化生产过程、改善产品的品质和口味、延长食品储存期和提高产品产量等。酶制剂来源：少数由动植物生产，绝大多数通过发酵工程生产。（P26）4.发酵工程在生产传统发酵食品中的意义：使这些产品的产量和质量明显提高。5.啤酒是以大麦为主要原料经酵母菌发酵制成的。6.发酵工程在医药工业的应用：（1）采用基因工程的方法，将植物或动物的基因转移到微生物中，获得具有某种药物生产能力的微生物。（P26）（2）直接对菌种进行改造，再通过发酵技术大量生产所需要的产品。（P26）7.利用基因工程生产疫苗具体操作：将病原体的某个或某几个抗原基因转入适当的微生物细胞，获得的表达产物就可以作为疫苗使用。（P26）8.发酵工程在农牧业的应用：(1)生产微生物肥料。微生物肥料的作用：微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长。有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生长，从而减少病害的发生。常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。（P27）(2)生产微生物农药。微生物农药的作用：利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。（P27）(3)生产微生物饲料。生产微生物饲料的原理：微生物含有丰富的蛋白质，且繁殖速度快。微生物饲料实例：①单细胞蛋白：以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。②乳酸菌：在青贮饲料中添加乳酸菌，可以提高饲料的品质，使饲料保鲜，动物食用后还能提高免疫力。（P27）9．在其他方面的应用（1）解决资源短缺与环境污染问题：随着对纤维素水解研究的不断深入，利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质已取得成功。（P27）（2）将极端微生物应用于生产实践：自然界中还存在着一定数量的极端微生物，它们能在极端恶劣的环境（高温、高压、高盐和低温等环境）中正常生活。例如嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。（P27）预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
