发酵工程

课题22：第五章 微生物与发酵工程 第三节 发酵工程简介一、【自主学习】 (一)应用发酵工程的生产实例-谷氨酸发酵：1、常用的谷氨酸产生菌： 、 等。2、培养基： （1）按物理性质属 培养基； （2）按化学成分属 培养基；（3）培养基中除水、无机盐外，碳源由 提供，氮源来自 ，生长因子为 。 （4）培养液配制完成后，投放到发酵罐中，通入 的蒸汽进行灭菌，冷却后，在 条件下加入菌种，即为接种。3、发酵过程：（1）氧气供应：谷氨酸棒状杆菌是 菌，因此发酵过程中要不断通入 ，并搅拌。搅拌的意义是 及 。（2）温度： ；（3）pH： ；（4）时间： h。（二）发酵工程的概念和内容：1、概念：采用现代工程技术手段，利用 为人生产有用的产品或直接把 应用于工业生产的一种新技术。2、内容：（1）菌种的选育：方法为 、 及 ，其中 的方法获得的微生物可生产出一般微生物不能生产的产品。（2）培养基的配制：要根据 选择原料配制培养基且配方要经过 后才能确定。（3）灭菌：发酵过程中一旦污染杂菌将会导致 甚至 ，因此 及 均需经过严格灭菌。（4）扩大培养和接种：要将选育出的优良菌种经过 达一定数量后再进行接种。（5）发酵过程：这是发酵的中心阶段，此过程中除需随时取样检测外，还要及时 以满足菌种的 ，同时要严格控制 与转速等发酵条件，这是因为环境条件的变化，不仅会 而且会 。如谷氨酸发酵中当 时，谷氨酸棒状杆菌就会生成乙酰谷氨酰胺；当 时，生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸。其中对溶氧的控制可通过 及 调节；对pH的控制可通过 及在培养基中加 调节。（6）分离提纯：发酵工程产品有两类，即 和 。如果产品是 ，可采用过滤、沉淀等方法分离；如果产品是 ，可采用 等方法提取，分离提纯后的产品，还要经过 才能成为正式产品。（三）发酵工程的应用：1、医药工业方面：生产人们使用最多的药物，即 及 药物。2、食品工业方面：生产 发酵产品（酒精、醋等），生产 及微生物菌体即 。二、【合作探究】1、谷氨酸发酵最重要的无疑就是选择菌种了，是不是所有的谷氨酸棒状杆菌都可用于谷氨酸发酵生产呢？我们应该选育什么样的谷氨酸棒状杆菌作为菌种呢？2、有了菌种和合适的培养基，那发酵的主体设备在生产过程中有什么用呢？ 3、在菌种的选育中如果生产的是微生物直接合成的产物，如青霉素、谷氨酸等，一般采用什么方法获得菌种？如果生产的是一般微生物不能合成的产品，则一般采用什么方法获得菌种？4、发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为什么呢？如何防止杂菌的污染呢？怎样才算灭菌彻底呢？5、工业发酵要想在较短的时间内得到大量的发酵产物，这无疑需要大量的菌体。如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期呢？如何对菌种进行扩大培养呢？扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同呢？6、发酵过程中为什么还要控制发酵条件呢？三、【精彩回放】1、(08江苏生物)图甲是果醋发酵装置。发酵初期不通气，溶液中有气泡产生；中期可以闻到酒香；后期接种醋酸菌，适当升高温度并通气，酒香逐渐变成醋香。图乙中能表示整个发酵过程培养液pH变化的曲线是（ ）A BC D2、(08上海生物)利用纤维素解决能源问题的关键，是高性能纤维素酶的获取。请完善实验方案，并回答相关问题。【实验目的】比较三种微生物所产生的纤维素酶的活性。【实验原理】纤维素酶催化纤维素分解为葡萄糖，用葡萄糖的产生速率表示酶活性大小；用呈色反应表示葡萄糖的生成量。【实验材料】三种微生物（AC）培养物的纤维素酶提取液，提取液中酶蛋白浓度相同。【实验步骤】 （1）取四支试管，分别编号。（2）在下表各列的一个适当位置，填写相应试剂的体积量，并按表内要求完成相关操作。（3）将上述四支试管放入37的水浴，保温1小时。（4）在上述四支试管中分别加入 试剂，摇匀后，进行 处理。（5）观察比较实验组的三支试管与对照组试管的颜色及其深浅。【实验结果】微生物A提取物微生物B提取物微生物C提取物颜色深浅程度【分析讨论】（1）该实验中的对照组是 号试管。（2）实验组试管均呈现的颜色是 ，但深浅不同。（3）上述结果表明：不同来源的纤维素酶，虽然酶蛋白浓度相同，但活性不同。若不考虑酶的最适pH和最适温度的差异，其可能原因是 。（4）你认为上述三种微生物中，最具有应用开发价值的是 。（5）从解决能源问题的角度，开发这种纤维素酶的意义在于 。3、（07全国理综I）通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是好氧的谷氨酸棒状杆菌。下面有关谷氨酸发酵过程的叙述，正确的是（ ）A溶氧充足时，发酵液中有乳酸的积累B发酵液中碳源和氮源比例的变化不影响谷氨酸的产量C菌体中谷氨酸的排出，有利于谷氨酸的合成和产量的提高D发酵液PH值呈碱性时，有利于谷氨酸棒状杆菌生成乙酰谷氨酰胺4、（07山东理综）34、【生物生物技术实践】乙醇等“绿色能源”的开发备受世界关注。利用玉米秸秆生产燃料酒精的大致流程为：（1）玉米秸秆预处理后，应该选用_酶进行水解，使之转化为发酵所需的葡萄糖。（2）从以下哪些微生物中可以提取上述酶？_（多选）A、酿制果醋的醋酸菌 B、生长在腐木上的霉菌C、制作酸奶的乳酸菌 D、生产味精的谷氨酸棒状杆菌E、反刍动物瘤胃中生存的某些微生物（3）若从土壤中分离生产这种酶的微生物，所需要的培养基为_（按功能分），培养基中的碳源为_。（4）发酵阶段需要的菌种是_，生产酒精要控制的必要条件是_。5、（07北京理综）发醉法生产酒精后的废液 pH4.3 ）含有大量有机物，可用于培养、获得白地霉菌体，生产高蛋白饲料。培养、制取白地霉菌体的实验过程示意图如下：请据图分析回答问题：（1）实验过程中培养白地霉的培养基是_。培养基定量分装前，先调节_, 分装后用棉塞封瓶口，最后进行_处理。（2 ）图中 过程称为_，从甲到丁的培养过程是为了_。白地霉的代谢类型为_。( 3 ）为确定菌体产量，图中操作之前，应先称量_的质量。过滤后需反复烘干称量，直至_。所得菌体干重等于_。6、（07江苏生物。42 A 题)发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题。 (1)人工控制微生物代谢的措施包括 和 。目前采用 方法已经选育出不能合成高丝氨酸脱氢酶的 新菌种。 (2)在发酵过程中，产物源源不断地产生。这说明赖氨酸或谷氨酸的生产采用了 的发酵方式。在生产过程中，由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为 ，常需增加通氧量。当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用 等分离提纯的方法进行提取。7、（07天津理综）为研究“圆褐固氮菌对某植物枝条生根作用的影响”，设计相关实验，结果如下图。试管内基质为灭菌的珍珠岩（起固定、通气和吸水作用）。请据图回答：（1）为了排除其他微生物对实验结果的影响，配制灭菌培养液在成分上应具备的主要特点是_。（2）A中枝条的下端切口处_（有/无）生长素，A与C对比说明：_。（3）上述实验综合分析表明，圆褐固氮菌能促进该植物枝条生根。为进一步探究“圆褐固氮菌是否分泌了促生根物质”，请完成下列实验：用灭菌培养液培养圆褐固氮菌 将培养物过滤，得到菌体和无菌滤过液实验分两组：甲组试管中加入基质和灭菌水；乙组取若干试管，加入相同基质，再分别加入_。分别插入同类枝条，培养并观察。结果分析：如果_，则表明圆褐固氮团分泌了促生根物质。四、【过关练习】1、运用发酵工程生产谷氨酸时应选择的培养条件是（注：下列项中通气均为通入无菌空气）( )对数期培养基碳氮比为41，隔绝空气 对数期培养基碳氮比为31，隔绝空气对数期培养基碳氮比为41，通气培养 稳定期培养基碳氮化为31，隔绝空气稳定期培养基碳氮比为41，通气培养 稳定期培养基碳氮比为31，通气培养A、 B、 C、 D、2、发酵工程的第一个重要工作是选取择优良单一的菌种。消灭杂菌获得纯种的方法不包括( )A、根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基B、根据微生物缺乏生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子C、根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸D、根据微生物对抗菌素敏感性差异，在培养基中加入不同的抗菌素3、有关生物工程叙述中，正确的有几项( )(1)基因工程中目的基因的运输工具一定是质粒(2)单克隆抗体由T细胞和骨髓瘤细胞融合后形成的杂交瘤细胞产生的(3)在发酵工程中得到的单细胞是从微生物中提取出来的蛋白质(4)微生物菌种选育方法有诱变育种，基因工程和细胞工程等方法(5)利用植物组织培养可将离体的植物器官或细胞进行脱分化和再分化获得无病毒植株。(6)转基因抗虫棉培育过程使用的工具酶是限制性内切酶.DNA连接酶和运载体。A、2项 B、3项 C、4项D、5项4、某同学将必修与选修教材中细菌部分的知识进行归纳总结，得出系列结论，其中可能书写有误及尚需完善的有（ ）生态系统中可作为生产者，消费者，分解者 单个或少数细菌在液体培养基大量繁殖，可形成菌落，可作为菌种鉴定依据 细菌中寄生的病毒称为噬菌体 基因工程、细胞工程、发酵工程可制造工程菌 细菌被杀死后其DNA可引起相关细菌转化 侵入人体后可引起人体的体液免疫和细胞免疫A、 B、 C、 D、5、下面是有关谷氨酸棒状杆菌培养的部分培养基配方。请回答：无菌自来水NH4NO3MgSO4KNO3KHPO4KH2PO41000ml5g1g1g0.2g0.2g(1)如果用此培养基培养酵母菌，下图能表示在一段时间内酵母菌数量变化的曲线是_(2)酵母菌与谷氨酸棒状杆菌相比，在细胞结构上的主要区别是酵母菌有_。在基因结构上的主要区别是_。 (3)如果要通过发酵工程培养谷氨酸棒状杆菌来生产味精，上表配方中至少要加入_原因是_。(4)当培养基的CN比为4：1时，谷氨酸棒状杆菌生长迅速，而不积累谷氨酸。那么此时它的体内是否还合成谷氨酸?_；合成的话是用于_。(5)若在此培养基的基础上，再加入某种成分，构成甲培养基；加入另一种成分，构成乙培养基。两培养基及其他培养条件都适合谷氨酸棒状杆菌生长。现从甲中取少量处于对数期的细菌，接种在乙中。则在接种后的最初一段时间内，细菌在乙中的状况与原先在甲中的状况相比，不会改变的是_。(选择)A、组成酶种类 B、诱导酶种类 C、mRNA种类 D、细胞的大小6、谷氨酸是生物体内一种重要的有机小分子，谷氨酸钠是它的钠盐，是味精等调味品的主要成分。目前利用微生物发酵生产的氨基酸中，谷氨酸是产量最大的种类之一。（1）谷氨酸的R基为一CH2一CH2COOH，其结构式为_（2）如果在蛋白质合成过程中，携带谷氨酸的转移RNA如图所示，可知谷氨酸的密码子为 。（3）我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸襟状杆菌和黄色短杆菌等，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的有_。A、噬菌体 B、人类免疫缺陷病毒（HIV） C、禽流感病毒 D、肺炎双球菌 E、酵母菌 F、硝化细菌 G、乳酸菌（4）谷氨酸发酵生产过程中，需要添加氨水，它不仅是细菌生长所需的 ，而且还有调节培养液 的作用，所以应该分次加入。（5）某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自于 。（6）右图所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养基，同时又以同样的速度放出旧的培养液，此工艺流程可以大大提高生产效率，试阐述其原因_。7、如图所示为发酵工程生产产品的流程图，据图回答：（1）若能生产人生长激素的工程菌是通过培养的，应该是_ _；若高产青霉素菌种是通过培育的， 应该是 。（2）整个过程的中心阶段是 _ _，在该时期要随时取样检测培养基中的细菌数目、产物浓度等。同时，要严格控 和通气量和转速等条件。 （3）若是单细胞蛋白的话，应该是 ，而获得的氨基酸、维生素则属于代谢的 产物。（4）在发酵过程中要不断搅拌的原因是_ _。课题：第五章 微生物与发酵工程 第三节 发酵工程简介答案二、【合作探究】 1、 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。2、看发酵罐的示意图，并对发酵罐的组成结构进行简单介绍。通过介绍使学生了解发酵的主体设备由发酵罐及其控制部分构成。在发酵过程中，发酵罐内的温度、pH、溶氧量都会变化，从而影响微生物的生长。因此，必须有相应的控制结构来保持发酵条件的稳定。3、可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。例如：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。4、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。 例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，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。要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。5、这就需要经过多次的扩大培养。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。扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。6、发酵过程中氧的溶量、pH、磷酸盐等都能影响谷氨酸代谢途径，从而影响代谢产物的合成。同时，随着代谢的进行，产热的增加、某营养物质的消耗，以及某些酸性和碱性物质的产生，会使温度、pH等发生变化，这些都会对微生物的生长造成不利影响。因此，需要对发酵过程的中温度、pH、溶氧量等发酵条件进行严格的控制，以保证菌体生长和代谢途径朝着有利人类的方向进行。三、【精彩回放】 1、B2、【实验步骤】（2）如