备考2022高考生物高效学习方案考点专项-2-22发酵工程简介-新人教版

备考2022高效学习方案生物考点专项1．列举应用发酵工程的生产实例。2．简述发酵工程的概念和内容。3．举例说出发酵工程的应用。一、生产实例用微生物生产谷氨酸，制造味精二、概念与内容发酵工程图示：三、应用常用菌种名称代谢类型谷氨酸棒状杆菌异养需氧型黄色短杆菌异养需氧型培养基的配制类型成分按物理性质：液体培养基按化学成分：天然培养基碳源：豆饼水解液、玉米浆氮源：尿素、豆饼水解液生长因子：生物素灭菌培养基、发酵设备必须严格灭菌扩大培养选育优良菌种、屡次扩大培养达一定数量接种在无菌条件下把菌种参加培养基发酵过程(1)不断通入无菌空气(2)搅拌，既能加速氧的溶解，又能使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率(3)连续培养：CN＝31(4)严格控制温度、pH等，当pH呈酸性时，会产生乙酰谷氨酰胺；当溶氧缺乏时，会生成乳酸或琥珀酸别离提纯蒸馏、萃取、离子交换法等提取谷氨酸生产过程

说明①谷氨酸发酵所用的培养基既是液体培养基又是天然培养基。液体培养基能使营养物质在发酵过程中得到充分的利用，还能为菌体提供更大的生存空间，同时也有利于生产过程中培养条件的控制以及产物的提取等。天然培养基那么既能满足菌体的营养需求，又能降低生产本钱，还能减少对环境的污染。其中，碳源是豆饼水解液和玉米浆；氮源是尿素和豆饼水解液；生长因子是生物素。②搅拌的作用：一是使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中(称溶氧)；二是使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率。③发酵过程中温度上升的原因：一是搅拌器机械搅拌产热；二是菌体自身代谢产热。深化拓展1．发酵的含义：狭义上的发酵是指微生物的无氧呼吸，而广义上的发酵那么包括有氧发酵(如氨基酸发酵)和厌氧发酵(如酒精发酵)。2．发酵的分类分类依据种类培养基状态固体发酵、液体发酵等产物不同抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵等对氧的需求厌氧发酵、需氧发酵【例4】(2022·全国Ⅰ理综，6分)以下关于通过发酵工程生产谷氨酸的表达，错误的选项是 ()A．发酵时需不断通入无菌空气，否那么会积累乳酸B．发酵时常采用的培养基为液体天然培养基C．从自然界别离的野生型菌株可直接用于生产D．当菌体生长进入稳定期时，补充营养物可提高谷氨酸产量[解析]此题考查发酵工程的相关知识。从自然界中获得的菌种需要经过筛选和适当的处理才能应用于发酵工程，C错误。在稳定期，补充营养物质排除有害代谢产物可实现连续培养，从而提高产量，D正确。[答案]C如图为谷氨酸发酵装置图。发酵罐结构示意图(1)图中3、6处是发酵罐夹层中水的进出口，水在发酵罐夹层流出的作用是________________________。(2)谷氨酸发酵液的pH应控制在7～8范围内，随着代谢产物的积累，发酵液pH变化趋势是____________，控制方法是____________。发酵过程中，假设谷氨酸积累过量，会抑制____________的活性，导致合成途径中断，这种代谢调节方式称为____________调节。(3)如果在4处通入空气，谷氨酸产量会____________，原因是______________________。解析：谷氨酸是味精的主要成分，工业上常用谷氨酸棒状杆菌通过发酵而获得。在发酵过程中要控制好温度、pH和溶氧，其中温度调节主要依靠循环水，pH调节那么可通过加酸或加碱的方法(本过程中因谷氨酸呈酸性可加碱，如加氨水进行调节)。谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，在发酵过程中需要不断通入无菌空气，增加发酵液中的溶氧，假设通入不经处理的空气，空气中的杂菌就会与谷氨酸棒状杆菌产生竞争，或分解、吸收谷氨酸。谷氨酸棒状杆菌发酵的温度是30℃～37℃，可通过发酵罐3、6的循环水来调节。谷氨酸棒状杆菌发酵的pH是7～8，pH的变化趋势是下降，因此需要加碱(氨水)来中和。发酵过程中，要及时移走发酵产物，否那么谷氨酸大量积累会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，这种调节方式称为酶活性的调节。答案：(1)冷却(降温或使温度控制在30℃～37℃)(2)下降加碱(氨水)谷氨酸脱氢酶酶活性的(反响、负反响)(3)下降混入杂菌产生竞争，分解或吸收谷氨酸方法技巧：获得纯洁培养物的无菌操作重要技术环节归纳：获得纯洁培养物的关键是防止外来杂菌的入侵。无菌技术围绕着如何防止杂菌的污染展开，主要包括以下几个方面。(1)对实验操作的空间、操作者的衣着和手进行清洁和消毒。(2)对用于微生物培养的器皿、接种用具和培养基等进行灭菌。(3)为防止周围环境中微生物的污染，实验操作应在酒精灯火焰附近进行。(4)实验操作时应防止已经灭菌处理的材料用具与周围的物品相接触。1.菌种的选育常用选育方法包括自然界选种、诱变育种、细胞工程、基因工程等。比拟如下：育种类型原理方法优缺点诱变育种基因突变物理或化学因素来处理生物能大幅度改进某些性状，操作简便，但也具有很大的盲目性基因工程基因重组将目的基因导入受体细胞，构建工程细胞或工程菌能定向改变微生物的遗传性状，但操作过程复杂，要求高细胞工程原生质体融合等体细胞杂交等能克服远源杂交不亲和的障碍，定向改变遗传性状2.发酵工程中的灭菌与接种灭菌是指使用强烈的理化因素杀死发酵设备和培养基中的所有微生物(包括芽孢、孢子等微生物休眠体)，使整个发酵罐中没有任何生物，给将要参加的生产菌种准备一个非常“干净〞的环境。接种是指在没有任何其他微生物的条件下加人生产菌种。发酵罐中只有纯洁的生产菌种，才能保证发酵产品的品质和产量。灭菌与接种的区别在于：灭的是杂菌，接的是发酵菌种，并且灭菌在前，接种在后。如果接种之前不灭菌或灭菌不彻底，混入了其他微生物，即污染杂菌，那么，杂菌会在发酵罐中大量繁殖，与生产菌种形成竞争关系。这将造成发酵产品的产量和纯度下降，甚至得不到产品。例如在青霉素的发酵生产过程中污染了某些杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，将形成的青霉素分解掉。3．严格控制发酵条件发酵条件的改变及培养基成分比例不协调，均会导致产量下降，甚至不能得到正常产物，如谷氨酸发酵时溶氧缺乏会得到乳酸或琥珀酸，pH呈酸性时会得到乙酰谷氨酰胺，由于谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌均为好氧菌，故需满足其对氧的需求，具体分析如下：4．生产菌种为什么要扩大培养后才接种在发酵工程的生产中，要考虑缩短生产时间并提高产量。如果把1支试管中的优良菌种接种到1个数万升的发酵罐中，接种量无疑太小。发酵罐中菌群生长的调整期、对数期时间将大大延长，不利于提高发酵产品的产量。但是，假设在对发酵罐接种之前便将这支试管的优良菌种进行屡次扩大培养，使其菌种数量扩大数千倍甚至数万倍，那么，接种到发酵罐后，就可大大缩短在发酵罐中的培养时间，从而提高发酵产品的产量。5．发酵过程中热量的来源与散失(1)热量来源：搅拌器搅拌产热，微生物代谢产热。(2)热量散失：发酵罐壁散热，冷却水散热。6．搅拌器的作用(1)能增加培养液中的溶氧。(2)能促使培养液与菌种充分接触，提高原料的利用率。7．发酵工程的流程简图特别提示区分消毒与灭菌消毒是指使用较为温和的物理或化学方法仅杀死物体外表或内部一局部对人体有害的微生物(不包括芽孢和孢子)。灭菌那么是指使用强烈的理化因素杀死物体内外所有的微生物(包括芽孢和孢子)。发酵工程中培养基必须经过灭菌处理。【例2】(2022·杭州四中教育集团月考)如下图为发酵工程生产产品的流程图，据图分析，以下表达错误的选项是 ()A．图中①②③可以表示菌种选育的三种方式：基因重组、诱变育种、细胞工程B．在流程图中④是指接种，⑤是指灭菌，即杀死或消灭一定环境中所有微生物的过程C．发酵工程的中心阶段是发酵过程，该过程要严格控制发酵条件D．假设⑥是单细胞蛋白，那么⑦的别离提纯要采用蒸馏、萃取、离子交换等方法[解析]菌种选育的三种方式分别为诱变育种、基因工程和细胞工程。[答案]A (2022·海淀区期中)黑曲霉发酵可以产生木聚糖酶，该酶可以将木聚糖(植物细胞壁的主要成分之一)降解为木糖。木聚糖酶是一种很有应用价值的发酵产品，如图表示生产该酶的连续发酵设置。(1)根据物理性质，该发酵过程使用的培养基属于______________。根据工艺流程可知，黑曲霉的新陈代谢类型属于______________型。(2)从加料口输入的培养基必须经过严格的______________处理。根据图示可知，发酵过程需要严格控制________________________与搅拌速度等条件。(3)在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过屡次的______________，当到达一定数量后再接种。接种的菌种最好处于生长的______________期。(4)此工艺流程(连续培养)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老的培养基，可大大提高生产效率，道理在于。答案：(1)液体培养基异养需氧(2)灭菌温度、pH、溶氧、通气量(答出3点即可)(3)扩大培养对数(4)①保证微生物对营养物质的需求；②排出局部有害代谢产物；③使微生物保持较长时间的高速生长1．发酵工程的代谢产物别离提纯的方法包括()①过滤②沉淀③蒸馏④萃取⑤离子交换A．①③⑤B．②④⑤C．③④⑤ D．②③④解析：别离提纯是制备发酵产品不可缺少的阶段。产品不同，别离提纯的方法一般不同。如果是菌体，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中别离出来，如果是代谢产物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。答案：C2．生物学家将大肠杆菌的质粒取出，连接上人生长激素的基因以后，重新置于大肠杆菌细胞内，然后用这种带有人生长激素基因的大肠杆菌进行发酵，该处理过程在发酵工程中属于 ()A．菌种选育 B．扩大培养C．接种 D．诱变育种解析：题中所述应视作用基因工程方法培育菌种，这应属于发酵工程中的“菌种选育〞步骤。答案：A3．与缩短调整期长短有关的因素中，最全的一组是 ()①用与菌种相同的培养基②用营养丰富的培养基③用稳定期获得的菌种④用对数期获得的菌种⑤接种时间提前⑥接种量加大⑦接种量减少⑧接种种类加大A．①③⑤⑦ B．②③⑤⑦C．①④⑥ D．②④⑤⑥⑧解析：此题考查调整期的有关知识，刚刚接种到培养基上的细菌，对新环境有一个短暂的调整或适应过程，因此，一般不立即开始分裂繁殖，这段时间称为调整期。这时细菌的代谢活泼，体积增长较快，大量合成细胞分裂所需的酶类、ATP及其他细胞成分。调整期是由于菌种生活环境的改变，适应新的生活环境的结果，主要是由于营养物质的改变，需要经过诱导酶的合成，所以要缩短调整期，应尽量采用与菌种相同的培养基，采用代谢旺盛的对数期细菌作为菌种，或者加大接种量，利用不同个体适应能力的差异来缩短调整期。答案：C4．以下有关谷氨酸棒状杆菌的生长和谷氨酸发酵的表达，错误的选项是 ()A．组成酶是维持菌体根本生活的必要条件B．菌体能合成各种生长因子，不需要从外界补充C．发酵液呈酸性时，就会生成乙酰谷氨酰胺D．细胞膜透性的改变，可解除代谢产物对有关酶活性的抑制解析：考查谷氨酸棒状杆菌的生长及谷氨酸发酵的问题。生物体内的化学反响都需要酶的催化。组成酶是维持菌体根本生活的必要条件。谷氨酸棒状杆菌发酵过程中，需要不断地补充生长因子。当发酵液呈酸性时，会产生乙酰谷氨酰胺；当溶氧缺乏时，生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸。细胞膜透性的改变可解除代谢产物对有关酶活性的抑制。答案：B5．以下不需要利用发酵工程的是()A．生产单细胞蛋白饲料B．通过生物技术培育可移植的皮肤C．利用工程菌生产胰岛素D．工厂化生产青霉素解析：考查发酵工程的应用。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工厂化生产青霉素必须利用发酵工程，通过生物技术培育可移植的皮肤是利用动物细胞工程。答案：B6．谷氨酸发酵生产过程中，控制好发酵的条件是十分重要的，以下处理不正确的选项是 ()A．从控制磷脂合成或使细胞膜受损入手，提高谷氨酸棒状杆菌细胞膜的透性，有利于提高谷氨酸的合成速度B．谷氨酸棒状杆菌属于好氧型细菌，发酵过程中应通入无菌空气并搅拌，以提高培养液中的溶氧量C．控制碳氮比例为3∶1，既有利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖又有利于谷氨酸的大量合成D．在发酵过程中控制好温度、有利于谷氨酸高效持久地大量合成解析：碳氮比例为3∶1时，谷氨酸棒状杆菌大量合成谷氨酸；但当碳氮比例为4∶1时，谷氮酸棒状杆菌大量繁殖产生谷氨酸少。答案：C7．发酵工程的第一个重要工作是从混杂的微生物群体中选择优良的单一纯种，获得纯种的方法不包括()①根据微生物对碳源需要的差异，使用含不同碳源的培养基②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③利用高温高压消灭不需要的杂菌④根据微生物对抗生素敏感性的差异，在培养基中参加不同的抗生素⑤根据微生物遗传组成的差异，在培养基中参加不同的生长因子A．④⑤ B．①②③④C．③⑤ D．③④⑤解析：微生物需要的三大主要营养物质是碳源、氮源、生长因子，生长因子是酶和核酸的组成成分，是微生物生长不可缺少的微量有机物；整个发酵过程是不能混入其他微生物的，所以培养基和发酵设备必须经过严格灭菌，高温高压虽可以灭杂菌，但也容易杀灭菌种；在培养基中参加不同的抗菌素，可抑制细菌生长。答案：C8．如图是发酵工程生产产品的流程简图，请据图分析答复：(1)从自然界中直接获得的菌种，产量一般都比拟低，不能满足人们对各种发酵产品的需求。现在，生物学家一般通过①________、②________、③________三种方法获得符合人们要求的生产用菌种。(2)在啤酒生产过程中，向接种酵母菌的麦芽汁充氧，目的是__________________________________。而产物酒精是酵母菌在________过程中产生的代谢产物。(3)利用谷氨酸棒状杆菌生产味精的过程中，发酵罐中的培养基通常用豆饼的水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成的培养液，并且发酵过程中要不断地通入无菌空气，说明谷氨酸棒状杆菌的新陈代谢类型是____________。谷氨酸棒状杆菌代谢产物谷氨酸合成过量时，会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，就会影响谷氨酸的进一步生产，为了使谷氨酸能迅速地排放到细胞外，常用的方法是____________。(4)发酵工程用于食品工业，除产生传统的发酵产品外，还为解决粮食短缺开辟了新的途径，如通过发酵获得____________。(5)在发酵过程中，培养液中pH发生变化的主要原因是__________________________________。调节和控制培养液中pH的方法是参加____________，或在发酵过程加____________。解析：发酵工程在食品工业上的应用十分广泛，生产了如啤酒等传统的发酵产品和各种各样的食品添加剂，而单细胞蛋白的生产为解决粮食短缺开辟了新的途径。营养物质的利用和微生物代谢产物的积累使培养基的pH发生改变，因此要在培养基中参加缓冲剂或发酵过程中加酸或碱来调节和控制pH。答案：(1)诱变育种(或人工诱变)基因工程细胞工程(2)使酵母菌进行有氧呼吸，迅速繁殖无氧呼吸(3)异养需氧型改变细胞膜的透性(4)单细胞蛋白(5)培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累缓冲剂酸或碱●教学建议1．将知识归纳总结形成一些知识体系，结合菌种的选育，可总结归纳生物的育种和繁殖方法(诱变育种、杂交育种、单倍体育体、多倍体育种、基因工程育种、组织培养等)。结合发酵工程的目的，研究微生物的代谢调控过程；结合化学的蒸馏、萃取等方法复习微生物发酵产品的别离提纯。2．结合生活生产实际加深理解、稳固知识。例：乙肝疫苗的制备、味精的生产过程、啤酒的生产过程，酱油、食醋的生产过程等。●备用选题1．(2022·全国Ⅰ理综，6分)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表达，正确的选项是()A．溶氧充足时，发酵液中有乳酸的累积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呈碱性时，有利于谷氨酸棒状杆菌生成乙酰谷氨酰胺解析：谷氨酸棒状杆菌在溶氧充足时不会产生乳酸，故A错误。当发酵液中的碳源与氮源之比为4∶时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少，为3∶1时谷氨酸大量生成，菌体繁殖受抑制，故B错误。谷氨酸是初级代谢产物，只分布于细胞内，当人为改变细胞膜的通透性后，解除了反响中的反响抑制，有利于提高产量，故C正确。答案：C2．(2022·上海，2分)人们采用玉米经酵母菌发酵生产酒精来替代汽油。假设每吨玉米可转化为m吨葡萄糖，现要生产46吨酒精，理论上需要玉米(原子量：C—12H—1O—16) ()解析：根据酵母菌无氧呼吸将葡萄糖分解成酒精和二氧化碳的方程式可知：每消耗180吨的葡萄糖会产生92吨的酒精，故要生产46吨的酒精，需要消耗的葡萄糖为90吨。由于每吨玉米可转化为m吨葡萄糖，故要产生90吨葡萄糖需消耗的玉米为(90/m)吨。答案：B3．(2022·北京理综，18分)发酵法生产酒精后的废液(pH＝4.3)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。请据图分析答复以下问题：(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____________处理。(2)图中①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②操作之前，应先称量____________的质量。过滤后需反复烘干称量，直至____________。所获菌体干重等于____________。解析：从图解中可以看出，培养白地霉菌用的是废液上清液；培养基配制完成后，要进行pH调整、灭菌，然后进行接种；由于白地霉要用废液上清液(其中含有有机物)，可以确定它的同化作用类型属于异养型，在培养过程中要进行振荡，说明它需要空气(氧气)，异化作用类型属于需氧型；在进行微生物称量时，首先要对滤纸进行称重，含有微生物的液纸要反复烘干，尽量除尽水分，最后用含有微生物的滤纸总质量减去滤纸质量，差值就是菌体的干重。答案：(1)废液上清液pH灭菌(2)接种扩大培养异养需氧型(3)滤纸恒重(质量根本不变)恒重时的质量与滤纸质量之差(答案合理即可)4．(2022·江苏，7分)发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，答复相关问题。(1)人工控制微生物代谢的措施包括__________和__________。目前采用①__________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__________的发酵方法。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__________等别离提纯的方法进行提取。解析：此题考查发酵工程的内容。(1)问答案来自于教材，黄色短杆菌既能产生谷氨酸又能产生赖氨酸，但最后一空因题目问题不是太明确，可能不易答出“黄色短杆菌〞。(2)问的第2空答复时要注意结合前后文字，判断出需答复的是菌种对氧的需求情况。答案：(1)改变微生物遗传特性控制生产过程中的各种条件诱变育种黄色短杆菌(2)连续培养好氧菌萃取(或蒸馏或离子交换等)●资料卡片菌种的选育根据微生物遗传变异的特点，人们在生产实践中已经实验出一套行之有效的微生物育种方法。主要包括自然选育、诱变育种、细胞工程、基因工程等。下面着重介