师：同学们，今天我们学习高二人教版生物学选择性必修三第一章第三节发酵工程及其应用。20世纪40年代以前，人类一直未能掌握一种能高效治疗细菌性感染且副作用小的药物。当时，若某人患了肺结核，就意味着此人不久就会离世，霍乱、伤寒等传染病也无法治疗。尤其在第一次世界大战中，很多士兵不是在战场上毙命，而是因为战场上遍布鲜血、尸体和污水，为细菌繁殖提供了温床，导致很多士兵来不及治疗伤口，就迅速感染、发炎、溃烂，不得不截肢或丧命。为此，科研人员进行了长期探索。然而，在这方面取得的突破性进展，却源自一个意外发现的科学小故事。
1928年的一天，英国细菌学家、生物化学家、微生物学家弗莱明在一间简陋的实验室里研究导致人体发热的葡萄球菌。由于盖子没盖好，楼上一位研究青霉菌的学者的青霉菌飘到了培养基上。弗莱明惊讶地发现，青霉菌附近的葡萄球菌被溶解了。后来他经过多次实验，发现这个现象可以重复，据此发现了葡萄球菌的克星——青霉素。
1943年，在一些科学家的努力下，制药公司才能批量生产青霉素。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，其价格贵如金。随着高产菌种的选育、发酵技术的发展，青霉素步入了产业化生产的道路。如今，一瓶规格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？是通过发酵工程。在第一节我们学习了传统发酵技术，但是通过传统发酵技术生产的食品一是杂质多，二是无法批量生产。如果要批量生产无杂质食品，如啤酒，就得靠发酵工程来完成。批量生产药物更需要精确控制无杂质。
那到底什么是发酵工程？发酵工程如何进行？今天我们就来学习相关内容。发酵工程的基本环节是选育合适的菌种，然后进行扩大培养，即增加目的菌的数量。当然，扩大培养需要配置相应培养基，之后接种在大型发酵罐内发酵，最后对产品进行分离纯化。下面我们一步一步来学习。发酵工程的第一步是选育菌种。发酵是利用微生物来生产产品，因此菌种至关重要，每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。直接从自然界分离得到的微生物不一定具有生产特定产物的能力，需要在实验室里进行大量筛选，然后经过诱变育种得到性能优良的菌种。所以选育菌种的目的是获得具有优良性状的菌种。
优良的菌种不仅健壮，不易退化，其发酵产品的产量、质量稳定，还往往会赋予发酵产品独特的风味。比如产酸量高的黑曲霉用来生产柠檬酸，如果是青霉菌，则要求它具有高产青霉素且青霉素优质、菌种生存能力强等特点，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。
利用基因工程构建出具有特殊生产能力的基因工程菌后，还要全面了解其产生产物的规律、影响产生产物的各种因素和控制生产的办法，并在实验室里进行验证，以及进行进一步扩大规模的验证，才能够将筛选出来的菌种用于生产。发酵工程的基本环节之二是进行扩大培养。什么叫扩大培养？就是指获得更多的菌种。大规模发酵所用的设备，发酵罐体积大，占用场地大。比如好氧菌发酵罐，一般能容纳几十吨的发酵液，因此需要接入的菌种总体积大，也就是数目多，所以在正式发酵之前，还需要对菌种进行扩大培养。扩大培养的培养基一般选用液体培养基比较好。在菌种确定之后，结合菌种代谢特点，选择原料制备培养基。培养基的组成十分关键，使用的培养基必须满足微生物细胞生长繁殖的需要。因为没有大量的细胞就不可能产生大量的产物，但是细胞的过分生长会消耗大量的营养物质，有时又会影响细胞的生产能力，导致产物的产量下降，因此使用的培养基还必须有利于微生物大量合成产物。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。
培养基要灭菌，原因主要是发酵工程中所用的菌种大多数是单一菌种，现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可保证高产以及生产过程和产品质量的稳定。污染是发酵工业的大敌，因此灭菌和无菌操作是发酵工业的重要环节。发酵涉及的发酵罐、空气过滤系统等设备需要用120摄氏度以上的高压蒸汽进行彻底灭菌。配置好的培养基进入发酵罐之前要加热到120摄氏度以上进行灭菌，或在进入时采用连续高温灭菌的方法进行灭菌。
若灭菌不彻底，哪怕只有很少量的杂菌没有被杀死，它们也可能在发酵过程中大量繁殖，造成污染，使发酵失败。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。因此，培养基和发酵设备都需经过严格的灭菌。发酵工程的第四环节就是接种，即把扩大培养后的菌种投放到发酵罐中。第五环节就是微生物在发酵罐内的发酵，从右图可知，发酵罐是一个复杂有序的系统。这个环节是微生物发酵产生所需产品的最关键、最重要的环节，也就是我们发酵工程的中心环节。要求一是发酵过程中要随时检测培养液中微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程；二是要及时添加必需的营养物质，要严格控制温度、pH和溶氧量等发酵条件。为什么要控制温度、pH和溶解氧呢？首先说温度，主要是通过影响微生物细胞内生物大分子的活性来影响微生物的生命活动。培养基的pH对微生物生长的影响主要是引起细胞膜电荷变化以及影响营养物质的离子化程度，从而影响微生物对营养物质的吸收。pH也会影响生物活性物质如酶的活性。
不同微生物对环境pH适应的范围不同，一种微生物在不同的生长阶段和不同的生理生化过程中，对环境pH也有不同要求。同一种微生物由于培养环境pH不同，可能会积累不同的代谢物。因此发酵过程中必须对pH进行控制，同时可根据不同的目的进行变pH发酵。
对于进行好氧发酵的工业生产，如何保证发酵液中氧的供给，满足微生物对氧的需求，使氧的供需矛盾不会成为生产的限制因素，是稳定和提高生产效率、降低生产成本的关键之一。在复杂的发酵过程中，仅保持一定的通气量可能无法为微生物提供合适的溶解氧量。微生物在不同发酵阶段其生长代谢水平的变化会导致它对氧的需求量也有变化，因此通过控制通气量、罐压、搅拌速率等来控制氧的溶解速率和浓度是十分必要的。
从以上几个方面可以看出，发酵过程对周围环境、物理和化学条件十分敏感，保证最适的发酵条件是发酵成功的关键。又如谷氨酸，我们平常讲的味精——谷氨酸钠是由它制取的，发酵常用菌种为谷氨酸棒状杆菌。在中性和弱碱性条件下会积累谷氨酸，而在酸性条件下则容易生成谷氨酰胺和N - 乙酰谷氨酰胺，所以发酵过程中我们要严格控制各种发酵条件。发酵罐是一个复杂的系统，在这里我给大家介绍几个零件的作用。空气入口是控制溶解氧，生物传感器装置，是一种对生物物质敏感并将其浓度转化为电信号进行检测的仪器。冷却水进入口、冷却水排出口通过控制冷水流速，调节罐温。电动机搅拌叶轮，电动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。通过以上信息我们看出，现代发酵工程使用的发酵罐的优点是均有计算机系统控制，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。通过发酵工程，我们获得的产品有两类，一类是微生物细胞本身，如细菌的蛋白质含量占细胞干重60% - 80%，大量的细菌菌体就是单细胞蛋白；第二类是微生物的代谢物。分离、提纯这些产品的手段是，若发酵产品是微生物细胞本身时，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；若发酵产品是代谢物时，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。