第3讲 发酵工程简介

第3讲发酵工程简介

高频考点突破实验专题探究命题视角剖析第3讲发酵工程简介基础自主梳理即时达标训练基础自主梳理一、应用发酵工程的生产实例——谷氨酸发酵二、发酵工程的概念和内容1．概念：采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把______应用于工业生产过程的一种新技术。2．内容(1)菌种的选育：获得优良菌种的方法有________、基因工程育种和____________。(2)培养基的配制根据____________原则，选择原料配制，但配方需反复试验。微生物诱变育种细胞工程育种培养基的配制(3)灭菌①灭菌对象：培养基和________。②污染杂菌的危害：产量大大下降，甚至得不到产品。(4)扩大培养和接种：使菌种增殖到一定数量，再接种。(5)发酵过程：是发酵的中心阶段①随时取样检测培养液中的________、________等。②及时添加必需的培养基组分，以满足菌种的________。③严格控制____、____、____、通气量与转速等发酵条件。发酵设备细菌数目产物浓度营养需要温度pH溶氧(6)分离提纯①产品是菌体本身：采用过滤、____等方法。②产品是代谢产物：采用蒸馏、萃取、离子交换等方法。沉淀思考感悟扩大培养与发酵生产过程中的培养有何不同？【提示】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。三、发酵工程的应用1．医药工业：生产各种药物。2．食品工业(1)生产传统的发酵产品，如____、果酒、食醋等。(2)生产食品添加剂，如酸味剂、鲜味剂、色素、甜味剂等。(3)为解决粮食短缺开辟新的途径，如用酵母菌等生产__________。啤酒单细胞蛋白高频考点突破1．发酵(1)含义：狭义上的发酵是指微生物的无氧呼吸，而广义上的发酵则包括有氧发酵(如氨基酸发酵)和厌氧发酵(如酒精发酵)。(2)分类考点一发酵与发酵工程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2.发酵工程(1)内容：包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。(2)流程3．二者的区别与联系发酵是个过程，是通过微生物培养大量生产各种代谢产物的过程，而发酵工程是一种生物技术，采用现代工程技术手段，人工控制环境条件，进行大规模发酵生产。发酵工程这种生物技术的应用给传统的发酵业带来了很大的变化。【名师点拨】①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②扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分开进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。即时应用(随学随练，轻松夺冠)1．下列有关谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的过程的叙述中正确的是(

)①各个生长时期的长短是固定的，无法人为缩短生长周期②对数期是采样留种的最佳时期③在稳定期补充营养物质可以提高产量④调整期是收获代谢产物的最佳时期⑤在谷氨酸棒状杆菌生长的稳定期，活菌数不再增加，谷氨酸产量也不再增加⑥发酵罐接种前必须进行灭菌处理⑦菌体能合成各种生长因子，不需要从外界补充A．①②⑥⑦B．②③⑥C．③④⑥⑦D．①④⑤⑥⑦解析：选B。各个生长时期的长短可以人为缩短控制。加大接种量可以缩短调整期，采用连续培养法，可以延长稳定期；调整期的代谢产物积累的很少；稳定期虽然活菌数不再增加，但谷氨酸产量迅速积累；菌体需要从外界补充生长因子，否则不能正常生长。考点二影响发酵过程的因素分析【名师点拨】菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同，因此，通常通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最适温度，进行分段控制。pH改变的原因：发酵工程中营养物质的利用、代谢产物的积累等。调整措施：添加缓冲物质或在发酵过程中补加氨水、尿素、(NH4)2CO3、CaCO3等。调整措施：通过通气量和搅拌速度加以调节。4．营养物质的浓度C/N比、无机盐、维生素：影响菌体生长和代谢产物的积累，如C/N＝3∶1时，谷氨酸棒状杆菌大量合成谷氨酸；但当C/N＝4∶1时，谷氨酸棒状杆菌大量繁殖而产生谷氨酸少。

即时应用(随学随练，轻松夺冠)2．在谷氨酸发酵过程中，关于培养基成分或条件改变对谷氨酸棒状杆菌生长和产物影响的叙述，正确的是(

)A．配制高浓度营养物质的培养基，会使谷氨酸棒状杆菌大量繁殖B．将培养基中的C/N比控制为3∶1时，有利于提高谷氨酸的产量C．培养基的pH呈酸性时，代谢产物将会是乳酸或琥珀酸D．谷氨酸棒状杆菌为厌氧菌，培养基中需严格控制溶氧、通气量等发酵条件解析：选B。营养液浓度过高，会使谷氨酸的代谢下降，溶氧不足才会生成乳酸或琥珀酸，谷氨酸棒状杆菌为需氧菌。实验专题探究验证性实验与探究性实验的异同生物学实验试题能很好地考查学生的理解能力、分析问题的能力、实验探究能力，以及语言组织能力，实验题型按照不同分类标准可划分为不同的类型，按实验结果是否已知可分为验证性实验和探究性实验。两类实验的比较如下表：探究性实验验证性实验实验目的探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系验证研究对象的已知属性、特征以及与其他因素的关系实验假设假设一般采用“如果A，则B”的形式表述，是根据现有的科学理论、事实，对所要研究的对象设想出一种或几种可能性的答案、解释结论是已知的，因此不存在假设问题(或已有实验过程、结果，在提出假设时，通过验证，得出假设是正确的)探究性实验验证性实验实验原理因探究内容而异因验证内容而异实验过程应有的实验步骤实际上并未完成，因探究内容而异应有的实验步骤，可以是曾经做过或尚未做过的，因验证内容而异实验的分组：有实验组和对照组。如果实验中有一个自变量，则分成2组(有时也分成3组)，即自变量改变与否；如果有两个自变量，则分成3组，即1、2组的设立是改变其中的一个自变量，第3组是第二个自变量改变与否；……实验组和对照组的设计是对自变量的处理，无关变量应设置为相同的条件，以免影响实验的效果，因此从实验材料中分析出自变量是实验的关键探究性实验验证性实验实验现象未知，可以不描述已知，应准确描述实验结果预测对假设分类讨论。一般需讨论“如果出现结果①会怎样，如果出现结果②或③又会怎样”，一般有多种可能的结果。但有时也会出现“预测最可能的结果”的问题，此种情况应根据已有知识推测最合理的结果与实验假设一致(不可与探究性的结果预测相混)实验结论根据可能的实验结果，进行分析对应实验目的做出肯定结论实战演练(专项提能，小试牛刀)

(1)如图为某种细菌的生长曲线及A、B两种代谢产物积累曲线。请据图回答问题：①A产物合成始于细菌生长曲线的________期，属于________代谢产物。②B产物的积累量在细菌生长曲线的________期最大。(2)绝大多数微生物的最适生长温度为25～37℃。为了探究培养温度对谷氨酸棒状杆菌代谢产物(谷氨酸)合成量的影响，设计如下实验。在实验中有4处错误，分别标以①、②、③、④，请依次分析错误原因。第一步：设定培养温度为第二步：将菌种接种到灭菌后的液体培养基中，分别在设定的温度条件下第三步：定时取样，分别测定谷氨酸合成量，记录结果并绘制曲线。实验结果预测及结论：若在30℃培养条件下，谷氨酸合成量最大，则认为，①__________________________________________。②__________________________________________。③__________________________________________。④__________________________________________。解析：(1)A产物合成始于细菌生长曲线的对数期，是细菌生长发育到一定阶段后才产生的，属于次级代谢产物。B产物的积累量在细菌生长曲线的稳定期达到最大。(2)根据题意，绝大多数微生物的最适生长温度为25～37℃，所以设定的温度范围应为25～37℃，不能过窄。谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，不应密闭培养，应不断向培养基中通入无菌空气。从调整期至衰亡期均有谷氨酸的合成，故测定谷氨酸合成量应在整个生长期取样，取样时期有遗漏。由于温度设定范围过窄，所以实验结果有局限性，合成谷氨酸的最适培养温度有可能高于30℃。答案：(1)①对数次级②稳定(2)①温度设定范围过窄②谷氨酸棒状杆菌是好氧细菌，不应密闭培养③从调整期至衰亡期均有谷氨酸的合成，故取样时期有遗漏④实验结果有局限性，合成谷氨酸的最适培养温度有可能高于30℃视角1紧扣教材重点——谷氨酸发酵下列有关发酵罐中谷氨酸发酵的叙述中，正确的是(

)A．发酵中不断通入纯氧气B．搅拌的目的只是使空气形成细小气泡，增加培养基中的溶氧量C．冷却水可使酶的活性下降D．若培养条件不当就可能不能得到所需产品命题视角剖析例1【思路点拨】解答本题的关键有以下两点：①正确分析谷氨酸发酵过程中所需的各种条件。②理解并掌握每种影响因素可能的影响机理。【尝试解答】

D【解析】选项详细分析A发酵中不断通入的是无菌空气而并非纯氧，否则成本会很高B搅拌的目的不只是使空气形成小泡，增加培养基中的溶解氧，还能使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率C冷却水并非使酶的活性下降，而是降低整个发酵罐中的温度，使发酵罐散热D由于发酵罐中因搅拌、微生物代谢等因素会造成热量过多而使温度上升，否则会影响微生物的代谢；若培养条件不当，可能就不能得到所需产品，如当溶氧不足时，生成的代谢产物会是乳酸或琥珀酸，而不是谷氧酸视角2洞察高考热点——发酵工程流程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，回答有关问题。例2(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)选育好的菌种进行扩大培养后，应选用________期的菌种接种到发酵罐内的培养液中，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)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②______分离提纯的方法进行提取。【尝试解答】

(1)改变微生物的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)对数细菌代谢旺盛、形态和生理特性稳定(3)连续培养好氧菌萃取(或蒸馏或离子交换等)【解析】

(1)人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物的遗传特性和控制生产过程中的各种条件，目前已经采用诱变育种的方法选育出不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌的菌种。(2)接种时一般选择对数期的菌种接种，因为这一时期的菌种代谢旺盛、形态和生理特性稳定。(3)发酵过程中，采取连续培养的方法可大大提高生产效率。由于生产赖氨酸或谷氨酸的细菌为好氧型细菌，因此要增加通气量。当发酵产品是代谢产物时，一般用蒸馏、萃取、离子交换等方法提取，当发酵产品为菌体时，一般采用过滤、沉淀等方法分离。视角3突破易错疑点菌种选育方式育种类型原理方法优、缺点诱变育种基因突变物理、化学、生物因素诱变能大幅度改良某些性状，操作简便，但具有很大的盲目性育种类型原理方法优、缺点基因工程DNA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，要求高细胞工程细胞膜的流动性等体