微生物与发酵工程
微生物发酵工程
微生物发酵工程微生物发酵工程是一门应用生物学领域的重要学科，它利用生物转化功能强大的微生物来生产各种化学物质。
这项技术在药品、食品、饮料、化妆品、环境保护等领域都有广泛的应用。
本文将从微生物发酵的定义、应用、工程设计等多个方面进行探讨。
一、微生物发酵的定义及原理微生物发酵是指利用微生物的代谢能力和酶的功能，通过适宜的培养条件，将底物转化成目标产物的过程。
它是一种自然而又复杂的生物反应过程，其基本原理可以归纳为底物与微生物的相互作用。
1. 微生物的选择酿酒、面包等产物需要酵母菌；乳酸、醋等食品需要乳酸菌和醋酸菌；抗生素需要青霉菌、链霉菌等。
不同的产品需要不同种类的微生物。
2. 培养条件的控制温度、pH、氧气供应、营养物质的添加等都是微生物发酵过程中需要控制的因素。
这些因素会影响微生物的生长速率和产物生成率。
3. 酶的作用微生物在发酵过程中产生的酶在催化底物转化成产物的反应中起到了关键的作用。
不同的产物需要特定的酶来完成转化。
二、微生物发酵的应用微生物发酵技术的应用广泛，以下主要介绍几个方面的应用。
1. 食品工业微生物发酵在食品工业中应用非常广泛。
例如，酸奶、豆豉、泡菜、味精等都是通过微生物发酵得到的。
微生物在发酵过程中可以产生有益的物质，例如乳酸、醋酸、氨基酸等，为食品增添了特殊的风味和营养价值。
2. 药品工业抗生素是微生物发酵的重要应用之一。
青霉素、链霉素等都是通过微生物发酵生产的。
此外，微生物发酵还可以用于生产维生素、氨基酸等药用物质。
3. 环境保护微生物发酵技术在环境保护领域也有广泛的应用。
例如废水处理中利用微生物的能力来分解有机物，减少污染物的排放。
还可以通过微生物发酵来处理有机废弃物，降低对环境的影响。
三、微生物发酵工程的设计与优化微生物发酵工程的设计是实现高效产物合成的关键。
以下是一些常用的优化策略。
1. 培养基优化培养基的成分对微生物的生长和产物生成起到重要的影响。
通过合理调整培养基的组成，可提高产物的生成效率。
《微生物与发酵工程》考点例析
《 微 生 物 与 发 酵工 程 》 ◇
口 唐 志哲
微生 物 与发 酵工 程涉 及 到生 物领 域 的高 与其他 微 生物相 区别 的是
（
）
科技知识 ， 与生产实践联系紧密 ， 因此微生物 与发 酵工 程逐 步成 为各地 考试 的热点 ， 其考查 内容主要体现在 以下几个方面 ： ①与微生物 的结构 、 代 谢特 点 与环境 问题 相联 系 ， 创设 新 情境 ， 考 查对 “ 微 生 物在 环境 保 护等 方 面 的应 用” 的理解和应用 ； ②把微生物的培养 、 代谢 调节与发酵工程联 系起来 ，综合考查微生物 在人们生活中的广泛应用 ；③结合动植物新 陈代谢 的相关 内容 ， 考 查微 生 物体 内的物质 、 能量 变化 以及 在生 态 系统 中 的作用 。笔者 简
遗传物质 可遗传 变异来源 Ｄ Ｎ Ａ或 Ｒ Ｎ Ａ 基 因突变 Ｄ Ｎ Ａ 基因突变 Ｄ Ｎ Ａ Ｄ Ｎ Ａ
基 因突变 ，染色 体变 基 因突变 ， 染色体变 异 基 因重 组 异， 基 因 重 组
，
繁殖 复制 繁殖 ， 培养病毒需用 以二分裂方式繁殖 方式 活 的组织 细胞 培养基
Ａ．Ｃ０２ Ｂ．Ｎａ ＨＣ０３
Ｃ ．碳 酸盐
Ｄ ．含碳 有机 物
答案
Ｄ
生物 ・ 考 点聚焦
述中， 正确 的是 （ ） 知 识链 接 微 生物 的 营养物 质 微 生物 生命过 程 中需要 的营 养物 质有碳 Ａ ． 次级代谢产物不是微生物 自身生长、
源、 氮源、 生长因子、 无机盐 、 水等 。
生长 生 长 必 不
Ｃ ． 诱 导 酶的合 成 一定要 有 诱 导物 ， 且诱 导 酶 的活性 不受代谢 产 物的影 响 Ｄ ．组 成 酶 和诱 导酶 的 合 成都 受基 因 的
微生物学与发酵工程的关系
微生物学与发酵工程的关系微生物学是研究微生物的科学，而发酵工程是利用微生物进行工业生产的一门学科。
微生物学与发酵工程之间存在着紧密的联系和互相促进的关系。
微生物学为发酵工程提供了理论基础和实验依据，而发酵工程则是微生物学研究成果的应用和发展。
微生物学为发酵工程提供了丰富的微生物资源。
微生物是发酵工程的基础和关键。
通过对各种微生物的研究和分离，可以得到适合发酵生产的菌种。
微生物学家通过对微生物的形态、生理、遗传等方面的研究，为发酵工程提供了合适的菌种选择和培养条件的优化。
微生物学的发展也推动了发酵工程的进步，新的微生物资源的发现使得发酵工程的应用范围更加广泛。
微生物学为发酵工程提供了发酵过程的理论基础。
微生物学研究了微生物的代谢途径、生长规律、产物合成等方面的原理，为发酵工程的设计和优化提供了重要的依据。
通过对微生物代谢途径的研究，可以了解微生物在不同条件下的生长和代谢特点，从而调节发酵条件以提高产物的合成效率。
微生物学还研究了微生物的基因工程和代谢工程，通过改造微生物的基因组和代谢途径，可以实现对发酵过程的精确控制和产物的改良。
发酵工程的实践应用也促进了微生物学的发展。
发酵工程的需求推动了微生物学技术的创新和改进。
在大规模发酵生产中，微生物的培养、发酵条件的控制、产物的提取纯化等都需要微生物学的技术支持。
同时，发酵工程中的问题和挑战也促使微生物学家进行更深入的研究，以提供更好的解决方案和技术支持。
微生物学与发酵工程的关系可以用一个相互促进的循环来描述。
微生物学为发酵工程提供了理论和实验基础，为发酵工程的发展提供了支持；而发酵工程的应用和需求则推动了微生物学的研究和创新。
两者相互依赖、相互促进，共同推动了微生物学和发酵工程的发展。
总的来说，微生物学与发酵工程之间存在着紧密的关系。
微生物学为发酵工程提供了微生物资源和理论基础，而发酵工程则是微生物学研究成果的应用和发展。
微生物学与发酵工程的合作促进了两个领域的发展，为工业生产和科学研究提供了重要的支持和推动。
微生物在食品微生物学与发酵工程中的应用
微生物在食品微生物学与发酵工程中的应用食品微生物学是研究微生物在食品中的作用和应用的学科，而发酵工程是指利用微生物或其代谢产物进行实际生产的工程学科。
微生物在食品微生物学和发酵工程中的应用非常广泛，可以从食品加工、贮藏、防腐等多个方面发挥作用。
本文将重点讨论微生物在食品微生物学与发酵工程中的应用。
一、微生物在食品加工中的应用1. 面包和面点制作：在面包和面点制作过程中，酵母菌是至关重要的微生物。
酵母菌通过发酵作用产生二氧化碳，使面团膨胀发酵，促使面包变得松软、有弹性。
此外，芽孢杆菌可以用于酵母菌的携带细菌的选择性培养。
2. 奶制品：乳酸菌是制作奶酸奶和其他乳制品的主要微生物。
乳酸菌通过产酸作用，将乳糖转化为乳酸，使奶酸奶呈现出酸性。
此外，厌氧菌也可以用于发酵产生特殊风味的奶制品。
3. 陈酿食品：陈酿食品如酱油、豆豉、豆腐等的制作离不开微生物。
在酱油的制作过程中，大豆、小麦或者其他粮食中的蛋白质被霉菌和酵母菌发酵分解，产生丰富的氨基酸和香气物质。
二、微生物在食品贮藏中的应用1. 食品防腐：食品腐败是由微生物引起的，因此在食品贮藏和保存过程中，常常需要利用微生物来防腐。
大肠杆菌属于一种有害细菌，可以在食品贮藏和处理过程中进行监测，确保食品的卫生安全。
2. 发酵食品的贮藏：发酵食品如酸奶、酸豆浆、泡菜等需要一定的温度和湿度条件进行贮藏。
微生物在这些食品中起到保鲜和防腐的作用，可以改善食品的口感、香气和口味。
三、微生物在发酵工程中的应用1. 产酶微生物的利用：发酵工程中，通过培养具有产酶能力的微生物，可以大规模生产酶制剂。
酶制剂在食品加工过程中起到催化反应、增加产量、改善品质等作用。
2. 产酸微生物的利用：发酵工程中，大量利用产酸微生物进行酸性发酵，产生乳酸、醋酸等有机酸。
这些有机酸可以用于调味、防腐，也可以增加食品的营养价值。
3. 发酵代谢产物的利用：发酵工程中，微生物通过代谢产物的产生，例如酒精、有机酸、氨基酸等，可以用于酒类、饮料、调味品等食品的生产。
微生物代谢与发酵工程的研究及应用
微生物代谢与发酵工程的研究及应用微生物代谢和发酵工程是现代生物工程学中的重要组成部分，它们在食品、制药、化工、环境保护等领域发挥着重要的作用。
微生物可以利用废物、廉价原料生产高价值产品，对于提高资源利用效率具有重要意义。
在发酵工程领域，为了提高丰度和产量，对微生物的代谢调控研究已成为研究前沿。
一、微生物代谢微生物代谢是指微生物内部的化学反应过程，包括物质的合成反应、分解反应和转化反应等，是微生物生长和繁殖的必要条件。
代谢途径需要消耗能量，常常是从底部的有机化合物中提取能量，以ATP作为最常见的能量介质。
微生物代谢通常分为两类：有氧代谢和无氧代谢。
有氧代谢需要氧气参与，可以从较高浓度的底物中提取更多的能量；无氧代谢则是在没有氧气的情况下进行的，有时候甚至能够从较低浓度的底物中提取能量。
微生物代谢的研究，对于发酵工程和深层次了解微生物的生长、代谢机制、产物合成和分解，都具有非常重要的意义。
通过代谢途径的调控，提高代谢产物的产率和水平，对于工业生产具有非常重要的实际意义。
二、发酵工程发酵工程是微生物代谢的应用领域，是利用微生物进行发酵生产的工程学科。
发酵工程涉及大量的学科知识，主要包括微生物学、生物化学、反应工程、传热传质、流体力学等。
发酵工程的目的是通过准确的代谢途径调控，推动微生物利用废物和廉价原料进行有机合成和分解，产生高质量的产品，包括生物农药、食品添加剂、医药中间体、生物染料、工业酶、生物燃料等。
发酵过程需要消耗大量的能量，通过调整温度、pH值、氧气含量、添加营养素等方式来优化代谢途径，提高产率和质量。
三、工业微生物发酵工业微生物发酵是最为常见的发酵工程应用之一。
工业微生物包括大肠杆菌、酵母、乳酸菌、青霉素等。
这些菌株的发酵工艺和代谢途径都已经被深入研究。
许多微生物均可以在工业规模下安全进行大规模的生产，包括工业酶、抗生素、植物生长素等。
目前，发酵工程学已成为成熟的产业，微生物发酵工艺正在成为全球实现化工可持续发展的重要技术途径之一。
微生物工程与发酵工程
微生物工程与发酵工程微生物工程与发酵工程是一门涵盖微生物学、生物工程学和化学工程学等多个学科知识的综合性学科。
本文将从微生物工程与发酵工程的基本概念、应用领域以及发展前景等方面进行探讨。
微生物工程与发酵工程是利用微生物生长、代谢和功能特性，通过工程手段加工产品的一门学科。
微生物是一类生命活动较为简单的生物体，但却在自然界中发挥着不可或缺的作用。
微生物工程利用这些微生物可控地合成有用的物质，如酶、抗生素、有机酸等。
而发酵工程则是在具体产品的生产过程中，通过对微生物生长环境、培养基和发酵条件的控制，达到最佳生产效果。
微生物工程与发酵工程的应用领域非常广泛。
在食品工业中，微生物工程与发酵工程被广泛应用于酿造、发酵、酸奶、酵素等食品的生产过程中，提高了产品的质量和产量。
在制药工业中，利用微生物工程生产抗生素和其他药物，为人类的健康提供了重要保障。
在环境保护领域，微生物工程与发酵工程可以用来处理废水、废气等环境问题，起到净化环境、保护生态的作用。
随着科学技术的不断发展，微生物工程与发酵工程的前景非常广阔。
在新药开发领域，微生物工程可以利用基因重组技术合成更多更有效的药物，为医疗健康领域带来更多新的突破。
在能源领域，微生物工程可以研发利用微生物生产生物燃料的技术，为替代传统石油能源提供新的途径。
在环境领域，微生物工程可以利用微生物降解有害物质、净化环境等技术，为环境保护和生态建设贡献力量。
总而言之，微生物工程与发酵工程作为一门前沿交叉学科，将继续在多个领域发挥重要作用，为人类的生产生活、医疗健康、环境保护等方面提供更多更好的解决方案。
未来，随着科学技术的不断进步和创新，微生物工程与发酵工程必将迎来更加美好的发展前景。
微生物发酵工程概述
四、微生物发酵的一般工艺过程
微生物发酵产品名 目繁多，这么多的 发酵产品生产过程 是否一样呢？在工 业流程细节上很不 相同。然而，概括 来讲其工艺流程是 相似的。如有的发 酵需氧，有的发酵 不需氧。
图3.3 微生物发酵的一般工艺过程
（一）原料选择
1、原料中碳的可利用率高； 2、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少； 3、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌； 4、价格便宜、来源方便、易于贮存。 但最便宜的原料也不一定是最合适的原料，如 生产谷氨酸时，过去曾用糖蜜做原料，但因为它是 制糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨 酸产酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、精制 以及废水处理带来很大问题。现在我国已采用淀粉 水解成葡萄糖来生产谷氨酸。
三、按发酵动力学类型分
t图3.2
发酵动力学类型图
（一）发酵动力学及其研究内容，目的
1、发酵动力学及内容
发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、营 养消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研 究内容包括：了解发酵过程中菌体生长速率、基 质消耗和产物生成速率的相互关系，环境因素如 温度、pH、溶解氧等对以上三者的影响。
（二）淀粉水解糖的制备
淀粉是由葡萄糖组成的生物大分子，除少数霉菌和细菌可直 接利用淀粉外，目前大多数的微生物都不能直接利用淀粉，例如 在酒精酵母、抗生素生产、氨基酸生产中都要求将淀粉水解成糖。 由于水解的方法不一，葡萄糖生成量也不同。
1、淀粉水解法分为三类：酸解法、酶解法、 酸酶法或酶酸法。 （1）酸解法 ① 、工艺过程：
④控制酸水解的影响因素 a、淀粉浓度 b、酸浓度、酸种类 c、温度和时间等条件 a、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程 度越高。
微生物工程与发酵工程
微生物工程与发酵工程微生物工程与发酵工程是现代生物技术领域中的重要分支，通过对微生物及其代谢产物的研究与应用，为人类社会的发展做出了巨大的贡献。
本文将从微生物工程和发酵工程的基本概念、应用领域、发展历程以及未来发展方向等方面进行探讨。
一、微生物工程的基本概念微生物工程是一门综合性的学科，它以微生物为研究对象，通过对微生物的生理特性、代谢途径以及遗传信息进行研究，运用工程技术手段来改良微生物的性质或开发利用微生物，以满足人类社会对于产品、能源、环境等方面的需求。
微生物工程广泛应用于医药、食品、农业、能源等领域，其中最具代表性的就是微生物的工业发酵。
微生物工程通过对微生物的培养、菌种筛选、代谢工程等方式，实现了大规模的微生物生产，如生物药物、生物肥料、酿造工艺中的酒精、乳酸、醋酸等。
此外，微生物工程还可以应用于环境修复、废弃物处理、能源生产等领域。
二、发酵工程的基本概念发酵工程是微生物工程领域中一个重要的分支，它以微生物的代谢过程为基础，运用工程技术手段进行发酵过程的优化、控制和扩大规模生产，以提高产品的产量和质量。
发酵工程广泛应用于食品、医药、化学等领域。
在食品行业中，发酵工程被用于酿造传统的食品和调味品，如酱油、酱菜、味精等。
在医药行业中，通过发酵工程可以生产多种生物药物，如抗生素、乙肝疫苗等。
在化学行业中，发酵工程被用于生产有机酸和有机溶剂，如乳酸、醋酸、甘油等。
三、微生物工程与发酵工程的发展历程微生物工程与发酵工程的发展历程与人类社会对于资源利用和生产方式的需求密切相关。
随着工业革命的爆发，人类对于能源和化工产品的需求日益增长，推动了微生物工程与发酵工程的发展。
19世纪末，发酵工艺的研究进入了现代化阶段，由此标志着微生物工程与发酵工程的发展有了较大的突破。
20世纪初，发酵工程开始应用于工业生产，如酒精、醋酸等的大规模生产。
在此后的几十年间，发酵工程经历了从衰退到复兴的过程，由于人造合成有机化合物的发展和应用，导致了对于发酵工艺的冷落。
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产量已达2.0x107t，广泛用于食品加工和饲料中。
中央电教馆资源中心 2003.11
2. 举例：
发酵生产常采用天然成分的液体培养基。而且， 经常用野生的植物淀粉、甘蔗渣、秸秆，以及 乙醇、醋酸等石化产品代替粮食来配制培养基。
3、灭菌
灭菌的原因：
在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌 种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影 响。
举例：
如果在谷氨酸发酵过程中混人放线菌，则 放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸 棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中 污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶， 将合成的青霉素分解掉。
素。
四、发酵工程的应用
2. 在食品工业方面：
1) 发酵工程能为人们提供丰富优质的传统发酵产品。 如：生产呻酒，果酒等。 2) 发酵工程能生产各种食品添加剂。例如,
酸味剂：柠檬酸、乳酸等；鲜味剂：谷氨酸等；
色 素：β -胡萝卜素等； 甜味剂：高果糖浆等。 3) 发酵工程能为解决人类粮食短缺问题开辟新途径。 例如：通过发酵可获得大量的微生物菌体——单细 胞蛋白。20世纪80年代中期全世界的单细胞蛋白年
2、培养基的配置
1. 培养基配置的原则：
1. 根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。
配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源长因子、水、无 机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的PH。
2. 培养基的营养要协调，以利于产物的合成。 3. 培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽 量降低生产成本，以得到更高的经济效益。
代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换等方法。 菌体本身：过滤、沉淀。
从自然界分离的菌种 诱变育种
基因工程
生产用菌种
诱变育种 原 料
扩大培养 接种
发酵罐 发酵条件控制
分离 提纯
灭菌
培养基配置
微生物菌体
代谢产物
产
品
四、发酵工程的应用
1. 在医药方面：
1) 发酵工程能生产人们所需的药品。例 如：通过青霉发酵能生产青霉素。 2) 通过发酵工程能生产基因药品。例如： 将合成的人的胰岛素基因转移到大肠 杆菌细胞内构建成“工程菌”，再通 过培养“工程菌”即可获得人的胰岛
4、扩大培养和接种
扩大培养：
扩大培养是将培养到对数期的菌体分开， 分头进行培养，以促使菌体数量快速增加， 能在短时间里得到大量的菌体
接种：
有了用于生产的充足的菌体，在接种时要 注意什么事项呢？
接种过程中要注意防止杂菌污染
5、发酵过程
1. 发酵产物：
发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。
二、发酵工程概念
采用现代工程技术手段，利用 微生物的某些特定功能，为人 类生产有用的产品，或直接把 微生物应用于工业生产过程中 的一种新技术。
三、发酵工程的内容
发酵工程的内容包括了以下的基本步骤：
1. 2. 菌种的选育 培养基的配置
3.
4.
灭菌
扩大培养和接种
5.
6.
发酵过程
分离提纯
1、菌种的选育
在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、 产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培 养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得 到更多的发酵产物 。 发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程有 重大影响。
2. 发酵进程
3. 发酵条件
6、分离提纯
发酵产物不同，分离提纯的方法会有所不 同，产物分离、提纯的一般方法是：
1. 选育的方法：
1) 从自然界中先分离出相应的菌种；
2) 利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种 ； 3) 利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞 或工程菌。
2. 举例：
可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的 质粒结合，形成重组DNA，再把重组DNA导入 大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则可培 养出能生产人的胰岛素的菌种。
一、发酵工程生产实例
2. 培养基的选择
成 水 无机盐 分 氮源 碳源 生长因 子 生物素
酸 碱 度
pH 7-8
豆饼水解 磷酸二氢钾 豆饼水 液、玉米 氧化钾 尿素 解液、 浆中的水 玉米浆 硫酸镁
一、发酵工程生产实例
3. 发酵罐示意图
电动机 pH检测及 控制装置 加料口
排气口
搅拌器 冷却水出口 培养液 冷却水进口 放料口 无菌空气
第五章 微生物与发酵工程
第三节 发酵工程简介
一、发酵工程生产实例
谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径
葡萄糖
中间产物
NH4＋
a－酮戊二酸
谷氨酸Байду номын сангаас脱氢酶
抑 制
谷氨酸
一、发酵工程生产实例
1. 菌种的选择
谷氨酸发酵最重要的无疑就是选 择菌种了，应该选育什么样的谷 氨酸棒状杆菌作为菌种呢?
只有选择细胞膜通透较强，在细胞内 不积累谷氨酸的谷氨酸棒状杆菌做菌 种才有可能获得大量的谷氨酸。