第1章 第4节 发酵工程及其应用-（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二生物学选择性必修第三册教师用书（苏教版2019）

第四节　发酵工程及其应用 [学习目标]　1.归纳微生物的特定功能。2.掌握发酵工程的一般过程。3.掌握发酵工程在医药业、食品业、农业及其他领域的广泛应用。 一、发酵工程利用了微生物的特定功能和发酵工程的一般过程 1．发酵工程利用了微生物的特定功能 (1)微生物种类主要包括细菌、真菌和病毒等。 (2)微生物的特定功能 ①微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能。 ②微生物具有吸收多、转化快的特定功能，这为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障。 ③微生物具有适应性强、易变异的特定功能。这为通过育种大幅度地提高菌种的生产性能提供了保障。 ④微生物还具有种类多、分布广的特点。许多微生物分别具有抵抗冷、热、酸、碱、高压、高辐射和适应有氧或无氧等环境的特定功能。 ⑤微生物种类繁多不仅体现在物种的种类上，还体现在微生物的生理代谢类型上。 2．发酵工程的一般过程 (1)发酵工程的概念 采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境条件下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术称为发酵工程。 (2)主要步骤 发酵原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等。 (3)大型发酵罐 (4)工业发酵 ①类型：根据发酵过程的操作方式不同，可将工业发酵分为分批发酵和连续发酵等。 ②分批发酵：一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式。可分为延滞期、对数期、稳定期、衰亡期。 ③连续发酵：在一个培养基可流动的装置(如发酵罐)中，以一定的速率不断地放出老的培养基和代谢产物，同时不断添加新的培养基和调节相关发酵条件(如pH)，使发酵过程保持相对稳定。简化了发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率和单位时间产量等。 判断正误 (1)微生物适应性强、易变异的特定功能为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障(　　) (2)酒精、啤酒等为厌氧发酵产品，味精、赤霉素、乳酸等的生产属于需氧发酵(　　) (3)在生产上常选择稳定期的微生物作为“种子”(　　) (4)环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢产物的形成(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√ 提示　(1)微生物具有适应性强、易变异的特定功能，为通过育种大幅度地提高菌种的生产性能提供了保障。(2)乳酸为厌氧发酵产品。(3)在生产上常选择对数期的微生物作为“种子”。 任务一：发酵工程的过程分析 1．发酵工程是大规模工业化的微生物发酵过程。如图是一位学生针对某种氨基酸的生产设计的实验装置示意图。回答下列问题： (1)从该学生设计的流程图中的装置A分析，他设计的装置A的作用是什么？他采用的是分批发酵方式还是连续发酵方式？ 提示　装置A可以不断补充新的培养基。采用的是连续发酵方式。 (2)如果该生产过程采用的是菌种甲，发酵过程需氧，产品是某种氨基酸，尝试在图中标出供氧装置和产品位置。 提示　供氧装置是装置B中插入培养基中的导管，产品位置是C。 2．根据微生物的特定功能选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？ 提示　适应性强，能在低成本的培养基上生长；吸收多，转化快，能产生大量的代谢产物；发酵条件如温度、pH、溶解氧等易控制；菌种不易变异退化，及抗杂菌污染能力强等。 3．在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 提示　不能直接排放到外界环境中。因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。 　发酵工程的一般过程 基本环节 内容或注意事项 发酵原料的预处理 对原料进行粉碎、蒸煮，水解成葡萄糖等供微生物利用 发酵培养基的配制 添加水、无机盐等营养物质，调节碳氮比和pH等 灭菌 发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降 菌种选育 从自然界中筛选、通过诱变育种或基因工程育种获得 扩大培养 在发酵之前需要对菌种进行扩大培养，增加微生物的数量 接种 将扩大培养的菌种和灭菌后的培养基加入发酵罐中。发酵工程利用计算机控制系统，对发酵过程进行自动调节控制 发酵生产 分为厌氧发酵和需氧发酵两种。酒精、啤酒、乳酸等为厌氧发酵产品，味精、赤霉素等的生产属于需氧发酵 产物的分离与提纯 发酵产品包括微生物的代谢产物或菌体。通过过滤发酵液，离心去除固体杂质，采用蒸馏法等进一步纯化目标产品 1．(多选)(2024·徐州高二期中)下列关于发酵工程的叙述，正确的是(　　) A．发酵产品包括微生物的代谢产物和菌体 B．接种后的培养液需要进行严格的灭菌处理 C．选育出优良菌种后就可以直接大规模生产 D．通过调节通气量和搅拌速度可以调节培养液的氧含量 答案　AD 解析　接种后的培养液不能进行灭菌处理，否则会杀死菌种，B错误；在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养后再接种，C错误。 2．下列关于分批发酵和连续发酵的叙述，错误的是(　　) A．分批发酵即一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式 B．处于稳定期的微生物不再增殖 C．对数期的微生物因代谢活性高、生命力强，故常作为“种子” D．连续发酵具有简化发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短发酵周期等优点 答案　B 解析　处于稳定期的微生物仍具有增殖能力，只是其增殖速率与死亡速率达到平衡。 二、发酵工程应用广泛 1．发酵工程的主要产品 产品类型 主要产物 微生物菌体细胞 酵母菌、食用菌、微生物农药 微生物酶类 各种酶、酶制剂和各种曲类 微生物代谢产物 初级代谢产物，如氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白质、核酸和维生素；次级代谢产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物 微生物转化产物 利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系，将一种化合物转化成含有特殊功能基团的产物。例如，将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，将甾体转化成甾体激素 工程菌发酵产物 通过基因工程和细胞工程创造出许多具有特殊功能的“工程菌”，用发酵技术生产更多更好的产品，发挥更大的经济效益 动植物细胞的产物 通过大规模培养木瓜细胞，生产木瓜蛋白酶；利用植物细胞培养技术生产天然食用色素等 2.发酵工程的应用领域 (1)发酵工程在医药业中的应用 主要包括生产各种抗生素、酶、氨基酸、激素和免疫制剂。 (2)发酵工程在食品业中的应用 ①除了应用于酿造酒、醋、酱油等传统酿造业外，还用于生产调味品或发酵食品等。 ②还可以用于生产甜味剂(如葡萄糖、麦芽糖)和应用于食品加工(如生产各种单细胞蛋白)等。 (3)发酵工程在农业中的应用 在农业中的应用包括生产生物农药、生物增产剂、生物除草剂以及饲料添加剂等。 (4)发酵工程在其他领域的应用 ①发酵工程的产物淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶在纺织、皮革制造、造纸等行业中都发挥重要作用。 ②发酵工程还可以应用于污水处理或沼气发酵等方面。 判断正误 (1)氨基酸、核苷酸、蛋白质等属于初级代谢产物(　　) (2)生物农药主要指的是细菌杀虫剂(　　) (3)饲料添加剂包括通过发酵工程生产的氨基酸、维生素、单细胞蛋白等(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)× 提示　(2)生物农药主要包括真菌杀虫剂、细菌杀虫剂。(3)单细胞蛋白是微生物菌体，可以制成微生物饲料，饲料添加剂包括通过发酵工程生产的氨基酸、维生素、调味剂等。 任务二：发酵工程应用案例的分析 植物乳杆菌属于乳酸菌的一种，在繁殖过程中可分泌一类具有抑菌活性的蛋白质，此种蛋白质称为细菌素，可作为良好的食品防腐剂。现有两种较高产细菌素的菌株，菌株A产细菌素能力强于菌株B，但菌株A细胞中的细菌素合成途径中缺少两个重要的调控基因plnC和plnD，而菌株B细胞中具有这两个基因。研究人员按如图所示流程对菌株A和B进行改良，获得了更高产细菌素的新型菌株C。请回答下列问题： 1．从细胞结构的角度分析，植物乳杆菌属于什么生物？其合成细菌素等生命活动所需的能量由什么生理过程提供？ 提示　植物乳杆菌属于原核生物。所需的能量由无氧呼吸过程提供。 2．抗生素是由微生物产生的具有较强抑菌杀菌效果的小分子有机物。请结合所学知识及相关信息，分析将细菌素而非抗生素用作食品防腐剂的优势。 提示　无毒、无副作用、无残留、少污染等。 3．下列不属于发酵工程的应用的是(　　) A．生产抗生素、维生素、药用氨基酸等 B．生产啤酒、果酒和食醋等 C．化学检测和水质监测 D．生产各种各样的食品添加剂 答案　C 解析　生产抗生素、维生素、药用氨基酸等为发酵工程在医药业上的应用；生产啤酒、果酒和食醋等，生产各种各样的食品添加剂，都是发酵工程在食品业上的应用；化学检测和水质监测不属于发酵工程的应用。 4．(多选)下列有关发酵工程及其应用的叙述，正确的是(　　) A．发酵工程生产所用菌种都是对自然界分离的菌种进行定向改造后获得的 B．发酵饲料、青贮饲料和单细胞蛋白都是很好的微生物饲料 C．利用发酵工程可以生产微生物肥料来增加土壤肥力、改善土壤结构、促进植株生长，如根瘤菌肥、固氮菌肥等 D．利用发酵工程生产的微生物代谢物可以用蒸馏、过滤、沉淀等方法提取 答案　BC 解析　发酵工程生产用的菌种可通过从自然界分离、诱变育种、基因工程育种获得，A错误；微生物代谢物的提取，采用分离和纯化等方法进行，D错误。 课时对点练　[分值：100分] 第1～6题，每题5分；第7～12题，每题6分，共66分。 题组一　微生物的特定功能和发酵工程的一般过程 1．下列关于微生物特定功能的叙述，错误的是(　　) A．微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能 B．微生物具有吸收多、转化快的特定功能 C．微生物具有适应性强、易变异的特定功能，且只能发生基因突变 D．微生物具有种类多、分布广的特点 答案　C 解析　微生物也包括真菌，真菌属于真核生物，除能发生基因突变外，也能发生染色体变异等。 2．严格控制发酵条件是保证发酵正常进行的关键，直接关系到是否能得到质量高、产量多的理想产物，通常所指的发酵条件不包括(　　) A．温度控制 B．溶解氧控制 C．pH控制 D．酶的控制 答案　D 解析　微生物的生活需要适宜的温度和pH；溶解氧的多少直接影响到发酵产物的生成，都需要加以控制；酶由微生物细胞产生，对微生物细胞的代谢有催化作用，通常不需要加以控制。 3．(2024·苏州高二期中)如图是某工厂的连续发酵装置，下列叙述正确的是(　　) A．图中①为冷却水进口，②为冷却水出口 B．该装置只能用于异养需氧型微生物的发酵 C．使用该装置需要将选育出的优良菌种先进行扩大培养 D．连续发酵时，放出全部旧的培养基后再添加新的培养基 答案　C 解析　图中①为冷却水出口，②为冷却水进口，这样才能起到冷凝的作用，A错误；该装置可以控制空气的进入，故该装置也能用于厌氧型微生物的发酵，B错误；在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，当菌种达到一定数量后再接种，C正确；连续发酵是以一定速率不断地放出旧的培养基和代谢产物，同时不断添加新的培养基和调节相关发酵条件，使发酵过程保持相对稳定，D错误。 4．在分批发酵过程中，单细胞微生物如细菌的生长状况随着发酵罐中各种物质浓度的变化表现出一定的规律，如图所示。在工业生产上常作为“种子”的微生物生长时期是(　　) A．延滞期 B．对数期 C．稳定期 D．衰亡期 答案　B 5．(2024·盐城高二期中)下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是(　　) A．发酵工程的基本环节有原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等 B．接种不一定在无菌条件下进行 C．发酵过程中，不能再向发酵罐中添加营养物质，以免造成污染 D．整个发酵过程中通过人工方法对发酵过程中温度、pH、溶解氧等进行检测和控制，从而使发酵过程处于最佳状态 答案　A 解析　接种必须在无菌条件下进行，B错误；在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程，同时要严格控制发酵条件，如温度、pH等，故可能需要适时添加营养物质，C错误；现代发酵工程中，可以利用计算机对发酵过程进行自动调节控制，使发酵罐内的发酵全过程处于最佳状态，D错误。 题组二　发酵工程应用广泛 6．下列关于发酵工程应用的叙述，错误的是(　　) A．红链霉产生的红曲色素可以用作食品添加剂 B．曲霉产生的葡聚糖酶可以预防龋齿 C．产黄青霉产生的青霉素是其次级代谢产物 D．可以通过发酵工程生产甜味剂 答案　A 解析　红曲色素是由红曲霉产生的，而不是由红链霉产生的，A错误。 7．发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是(　　) A．酵母菌可以作为酿制酱油、生产啤酒的菌种 B．接种固氮菌可增加土壤氮肥的肥力 C．用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题 D．用液体培养基可大规模生产流感病毒减毒疫苗 答案　D 解析　流感病毒减毒疫苗是流感病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，病毒不能独立地在液体培养基中生长繁殖，D错误。 8．下列有关发酵工程应用的说法，错误的是(　　) A．发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品 B．柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产 C．发酵工程可以生产多种药物，但是不能生产疫苗 D．发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料 答案　C 解析　乙肝疫苗可用发酵工程的方法生产，这种方法生产乙肝疫苗的优点是酵母菌繁殖快，代谢旺盛，乙肝疫苗单位时间内的产量高，C错误。 9．(2024·扬州高二期中)谷氨酸钠是味精的主要成分，工业上常用谷氨酸棒状杆菌发酵获得谷氨酸。下列叙述正确的是(　　) A．谷氨酸棒状杆菌染色体上的DNA与RNA不完全相同 B．发酵过程中温度会升高，需用冷却水在发酵罐夹层中流动降温 C．搅拌器转速越快，越有利于氧含量的提高和发酵产物的积累 D．阻止谷氨酸排出菌体有利于合成谷氨酸相关酶活性的提高 答案　B 解析　谷氨酸棒状杆菌是原核生物，没有染色体，A错误；在利用发酵罐进行发酵的过程中，由于微生物的呼吸以及搅拌等都能产生大量的热，使发酵液温度升高，为防止温度过高影响酶的活性、降低谷氨酸产量，可以通过发酵罐夹层中的冷却水的热交换作用冷却降温，B正确；搅拌有利于发酵液与谷氨酸棒状杆菌充分接触，还可以增加溶液中的氧含量，有利于谷氨酸棒状杆菌发酵，但是搅拌器转速太快，则可能影响谷氨酸棒状杆菌的生命活动，甚至使微生物裂解，不利于发酵，C错误；促进谷氨酸排出菌体，有利于合成谷氨酸相关酶活性的提高，D错误。 10．(多选)下列关于发酵工程基本环节的分析正确的有(　　) A．选育出的菌种应具有健壮、稳定、产量高等优点 B．发酵时要对温度、pH等发酵条件进行严格调控 C．应根据不同产品的类型采取适当的分离和纯化措施 D．发酵过程中排出的气体和废液可直接排放到环境中 答案　ABC 解析　发酵工程选育出的菌种应具有健壮、稳定、产量高等优点，以满足发酵工程的需求，A正确；在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等要经过一定的处理才能排放到外界环境中，直接排放会污染环境，D错误。 11．(多选)(2024·无锡高二期末)与传统发酵技术相比，发酵工程的产品和种类更加丰富，产量和质量明显提高。下列叙述正确的是(　　) A．发酵工程的产品只有微生物的代谢产物 B．发酵条件的变化会影响微生物的生长、繁殖和代谢途径等 C．发酵工程可以应用于污水处理或沼气发酵等方面 D．是否利用微生物进行发酵是发酵工程与传统发酵技术的最大区别 答案　BC 解析　发酵工程的产品包括微生物的代谢产物、酶及微生物菌体等，A错误；发酵工程与传统发酵技术都利用微生物进行发酵，D错误。 12．(多选)(2022·山东，14改编)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产，关于该生产过程，下列说法正确的是(　　) A．发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖 B．可用深层通气液体发酵技术提高产量 C．选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中 D．青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌 答案　ABC 解析　青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中会通过分泌青霉素杀死细菌；提供相同含量的碳源，葡萄糖溶液单位体积中溶质微粒较多，会导致细胞失水，发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖，乳糖是二糖，可被水解为半乳糖和葡萄糖，是青霉菌生长的最佳碳源，可以被青霉菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利条件，A正确；青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B正确；选育出的高产青霉素菌株经扩大培养纯化后，才可接种到发酵罐中进行工业化生产，C正确；为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染，获得纯净的青霉素，发酵罐仍需严格灭菌，D错误。 13．(12分)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。请回答下列问题： (1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的是______________(填字母，多选)。 A．噬菌体　　　　 B．人类免疫缺陷病毒(HIV) C．禽流感病毒 D．肺炎链球菌 E．酵母菌 F．硝化细菌 G．乳酸菌 (2)谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢物中出现了大量的乳酸，从发酵条件看，其原因很可能是____________________。 (3)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。 (4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气，并通过搅拌使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中，当培养基中碳氮比为4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳氮比为3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下，谷氨酸棒状杆菌代谢物是乳酸或琥珀酸。由此说明谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是__________________，由上述探究可知，通过发酵得到大量谷氨酸的发酵思路是_____________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)ABCE　(2)通气量不足　(3)氮源　pH (4)异养兼性厌氧型　不断向发酵液中通入无菌空气，发酵液中碳氮比为4∶1培养一段时间使菌种大量繁殖，后将培养液的碳氮比改为3∶1 14．(22分)某研究小组设计了一个利用作物秸秆生产燃料乙醇的小型实验，主要步骤：先将粉碎的作物秸秆堆放在底部有小孔的托盘中，喷水浸润、接种菌T，培养一段时间后，再用清水淋洗秸秆堆(清水淋洗时菌T不会流失)，在装有淋洗液的瓶中接种酵母菌，进行乙醇发酵。实验流程如图所示。 回答下列问题： (1)在粉碎的秸秆中接种菌T，培养一段时间后发现菌T能够将秸秆中的纤维素大量分解，其原因是____________________________。 (2)实验中用淋洗液为原料制备培养基，培养基中还需要加入氮源等营养成分，氮是构成微生物细胞中____________________(答出1点即可)等生物大分子的主要元素。通常采用______________法对培养基进行灭菌，该灭菌方法的一般步骤：加水→装锅→加热→________________→保温保压→出锅，灭菌会导致____________(填“菌体”“芽孢”或“菌体和芽孢”)死亡。 (3)将酵母菌接种到灭菌后的培养基中，拧紧瓶盖，置于适宜温度下培养、发酵。拧紧瓶盖的主要目的是________________________。但是在酵母菌发酵过程中，还需适时拧松瓶盖，目的是____________________________。 (4)本实验收集的淋洗液中的____________可以作为酵母菌生产乙醇的原料。与以粮食为原料发酵生产乙醇相比，本实验中乙醇生产方式的优点是________________________(答出1点即可)。 (5)采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术称为____________。沼气、天然气、味精和啤酒这四种生活用品的生产，与该技术无直接关系的是________________。 答案　(1)菌T能够分泌纤维素酶　(2)核酸(或蛋白质、DNA、RNA)　湿热灭菌　排空冷空气　菌体和芽孢　(3)制造无氧环境　排出二氧化碳　(4)葡萄糖　节约粮食(或废物利用、清洁环保、不污染环境、生产成本低、原料来源广)　(5)发酵工程　天然气 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第四节 第一章 发酵工程 <<< 发酵工程及其应用 学习目标 1.归纳微生物的特定功能。 2.掌握发酵工程的一般过程。 3.掌握发酵工程在医药业、食品业、农业及其他领域的广泛应用。 内容索引 一、发酵工程利用了微生物的特定功能和发酵工程的一般过程 二、发酵工程应用广泛 课时对点练 发酵工程利用了微生物的特定功能和发酵工程的一般过程 一 4 梳理　教材新知 1.发酵工程利用了微生物的特定功能 (1)微生物种类主要包括细菌、 和 等。 (2)微生物的特定功能 ①微生物具有生长 、繁殖 的特定功能。 ②微生物具有 、 的特定功能，这为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障。 ③微生物具有 、 的特定功能。这为通过育种大幅度地提高菌种的生产性能提供了保障。 真菌 病毒 旺盛 快 吸收多 转化快 适应性强 易变异 ④微生物还具有 、 的特点。许多微生物分别具有抵抗冷、热、酸、碱、高压、高辐射和适应有氧或无氧等环境的特定功能。 ⑤微生物种类繁多不仅体现在物种的种类上，还体现在微生物的生理 上。 种类多 分布广 代谢类型 2.发酵工程的一般过程 (1)发酵工程的概念 采用现代工程技术手段，利用 或 细胞的特定功能，在人工控制的环境条件下生产满足 的特定产品等的工程技术称为发酵工程。 (2)主要步骤 发酵原料的 、发酵培养基的配制、菌种 和 培养、发酵生产和产物的 等。 微生物 动植物 人类需求 预处理 选育 扩大 分离与提纯 (3)大型发酵罐 排气口 pH 搅拌器 无菌 (4)工业发酵 ①类型：根据发酵过程的操作方式不同，可将工业发酵分为 和 等。 ②分批发酵：一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式。可分为延滞期、 、 、衰亡期。 ③连续发酵：在一个培养基可流动的装置(如发酵罐)中，以一定的速率不断地放出 的培养基和代谢产物，同时不断添加 的培养基和调节相关 (如pH)，使发酵过程保持相对稳定。简化了发酵罐的_____ 、清洗、出料等步骤，缩短了 ，提高了设备的利用率和单位时间产量等。 分批发酵 连续发酵 对数期 稳定期 老 新 发酵条件 多次 灭菌 发酵周期 (1)微生物适应性强、易变异的特定功能为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障(　　) 提示　微生物具有适应性强、易变异的特定功能，为通过育种大幅度地提高菌种的生产性能提供了保障。 × × (2)酒精、啤酒等为厌氧发酵产品，味精、赤霉素、乳酸等的生产属于需氧发酵(　　) 提示　乳酸为厌氧发酵产品。 判断正误 10 (3)在生产上常选择稳定期的微生物作为“种子”(　　) 提示　在生产上常选择对数期的微生物作为“种子”。 × √ (4)环境条件不仅会影响微生物的生长繁殖，而且会影响微生物代谢产物的形成(　　) 判断正误 11 任务一：发酵工程的过程分析 1.发酵工程是大规模工业化的微生物发酵过程。如图是一位学生针对某种氨基酸的生产设计的实验装置示意图。回答下列问题： (1)从该学生设计的流程图中的装置A分析，他设计的 装置A的作用是什么？他采用的是分批发酵方式还是 连续发酵方式？ 探究　核心知识 提示　装置A可以不断补充新的培养基。采用的是连续发酵方式。 (2)如果该生产过程采用的是菌种甲，发酵过程需氧，产品是某种氨基酸，尝试在图中标出供氧装置和产品位置。 提示　供氧装置是装置B中插入培养基中的导管，产品位置是C。 2.根据微生物的特定功能选择发酵工程用的菌种时，需要考虑哪些因素？ 提示　适应性强，能在低成本的培养基上生长；吸收多，转化快，能产生大量的代谢产物；发酵条件如温度、pH、溶解氧等易控制；菌种不易变异退化，及抗杂菌污染能力强等。 3.在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？ 提示　不能直接排放到外界环境中。因为发酵过程可能产生一些有害物质，会污染环境。 核心归纳 发酵工程的一般过程 基本环节 内容或注意事项 发酵原料的预处理 对原料进行粉碎、蒸煮，水解成葡萄糖等供微生物利用 发酵培养基的配制 添加水、无机盐等营养物质，调节碳氮比和pH等 灭菌 发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降 菌种选育 从自然界中筛选、通过诱变育种或基因工程育种获得 扩大培养 在发酵之前需要对菌种进行扩大培养，增加微生物的数量 核心归纳 基本环节 内容或注意事项 接种 将扩大培养的菌种和灭菌后的培养基加入发酵罐中。发酵工程利用计算机控制系统，对发酵过程进行自动调节控制 发酵生产 分为厌氧发酵和需氧发酵两种。酒精、啤酒、乳酸等为厌氧发酵产品，味精、赤霉素等的生产属于需氧发酵 产物的分离与提纯 发酵产品包括微生物的代谢产物或菌体。通过过滤发酵液，离心去除固体杂质，采用蒸馏法等进一步纯化目标产品 1.(多选)(2024·徐州高二期中)下列关于发酵工程的叙述，正确的是 A.发酵产品包括微生物的代谢产物和菌体 B.接种后的培养液需要进行严格的灭菌处理 C.选育出优良菌种后就可以直接大规模生产 D.通过调节通气量和搅拌速度可以调节培养液的氧含量 √ 落实　思维方法 接种后的培养液不能进行灭菌处理，否则会杀死菌种，B错误； 在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养后再接种，C错误。 √ 2.下列关于分批发酵和连续发酵的叙述，错误的是 A.分批发酵即一次投料、一次接种、一次收获的间歇发酵方式 B.处于稳定期的微生物不再增殖 C.对数期的微生物因代谢活性高、生命力强，故常作为“种子” D.连续发酵具有简化发酵罐的多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短发酵 　周期等优点 √ 处于稳定期的微生物仍具有增殖能力，只是其增殖速率与死亡速率达到平衡。 发酵工程应用广泛 二 19 1.发酵工程的主要产品 梳理　教材新知 产品类型 主要产物 微生物菌体细胞 酵母菌、 、微生物农药 微生物酶类 各种酶、酶制剂和_________ 微生物代谢产物 代谢产物，如氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白质、核酸和维生素； 代谢产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物 食用菌 各种曲类 初级 次级 产品类型 主要产物 微生物转化产物 利用微生物代谢过程中的某种酶或酶系，将一种化合物转化成含有特殊 的产物。例如，将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，将甾体转化成甾体激素 工程菌发酵产物 通过 和细胞工程创造出许多具有特殊功能的“工程菌”，用发酵技术生产更多更好的产品，发挥更大的经济效益 动植物细胞的产物 通过大规模培养木瓜细胞，生产木瓜蛋白酶；利用_________ _____技术生产天然食用色素等 功能基团 基因工程 植物细胞 培养 2.发酵工程的应用领域 (1)发酵工程在医药业中的应用 主要包括生产各种抗生素、 、氨基酸、激素和 。 (2)发酵工程在食品业中的应用 ①除了应用于酿造酒、醋、酱油等传统酿造业外，还用于生产调味品或发酵食品等。 ②还可以用于生产甜味剂(如葡萄糖、麦芽糖)和应用于食品加工(如生产各种单细胞蛋白)等。 酶 免疫制剂 (3)发酵工程在农业中的应用 在农业中的应用包括生产 、生物增产剂、 以及____ _______等。 (4)发酵工程在其他领域的应用 ①发酵工程的产物淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、 在纺织、皮革制造、造纸等行业中都发挥重要作用。 ②发酵工程还可以应用于 或沼气发酵等方面。 生物农药 生物除草剂 添加剂 饲料 纤维素酶 污水处理 (1)氨基酸、核苷酸、蛋白质等属于初级代谢产物(　　) (2)生物农药主要指的是细菌杀虫剂(　　) 提示　生物农药主要包括真菌杀虫剂、细菌杀虫剂。 √ (3)饲料添加剂包括通过发酵工程生产的氨基酸、维生素、单细胞蛋白等(　　) 提示　单细胞蛋白是微生物菌体，可以制成微生物饲料，饲料添加剂包括通过发酵工程生产的氨基酸、维生素、调味剂等。 × × 判断正误 24 任务二：发酵工程应用案例的分析 植物乳杆菌属于乳酸菌的一种，在繁殖过程中可分泌一类具有抑菌活性的蛋白质，此种蛋白质称为细菌素，可作为良好的食品防腐剂。现有两种较高产细菌素的菌株，菌株A产细菌素能力强于菌株B，但菌株A细胞中的细菌素合成途径中缺少两个重要的调控基因plnC和plnD，而菌株B细胞中具有这两个基因。研究人员按如图所示流程对菌株A和B进行改良，获得了更高产细菌素的新型菌株C。请回答下列问题： 探究　核心知识 1.从细胞结构的角度分析，植物乳杆菌属于什么生物？其合成细菌素等生命活动所需的能量由什么生理过程提供？ 提示　植物乳杆菌属于原核生物。所需的能量由无氧呼吸过程提供。 2.抗生素是由微生物产生的具有较强抑菌杀菌效果的小分子有机物。请结合所学知识及相关信息，分析将细菌素而非抗生素用作食品防腐剂的优势。 提示　无毒、无副作用、无残留、少污染等。 3.下列不属于发酵工程的应用的是 A.生产抗生素、维生素、药用氨基酸等 B.生产啤酒、果酒和食醋等 C.化学检测和水质监测 D.生产各种各样的食品添加剂 √ 落实　思维方法 生产抗生素、维生素、药用氨基酸等为发酵工程在医药业上的应用；生产啤酒、果酒和食醋等，生产各种各样的食品添加剂，都是发酵工程在食品业上的应用；化学检测和水质监测不属于发酵工程的应用。 4.(多选)下列有关发酵工程及其应用的叙述，正确的是 A.发酵工程生产所用菌种都是对自然界分离的菌种进行定向改造后获得的 B.发酵饲料、青贮饲料和单细胞蛋白都是很好的微生物饲料 C.利用发酵工程可以生产微生物肥料来增加土壤肥力、改善土壤结构、 　促进植株生长，如根瘤菌肥、固氮菌肥等 D.利用发酵工程生产的微生物代谢物可以用蒸馏、过滤、沉淀等方法提取 √ √ 发酵工程生产用的菌种可通过从自然界分离、诱变育种、基因工程育种获得，A错误； 微生物代谢物的提取，采用分离和纯化等方法进行，D错误。 网络构建 课时对点练 三 32 题组一　微生物的特定功能和发酵工程的一般过程 1.下列关于微生物特定功能的叙述，错误的是 A.微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能 B.微生物具有吸收多、转化快的特定功能 C.微生物具有适应性强、易变异的特定功能，且只能发生基因突变 D.微生物具有种类多、分布广的特点 √ 微生物也包括真菌，真菌属于真核生物，除能发生基因突变外，也能发生染色体变异等。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 对点训练 2.严格控制发酵条件是保证发酵正常进行的关键，直接关系到是否能得到质量高、产量多的理想产物，通常所指的发酵条件不包括 A.温度控制 B.溶解氧控制 C.pH控制 D.酶的控制 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 微生物的生活需要适宜的温度和pH；溶解氧的多少直接影响到发酵产物的生成，都需要加以控制；酶由微生物细胞产生，对微生物细胞的代谢有催化作用，通常不需要加以控制。 对点训练 3.(2024·苏州高二期中)如图是某工厂的连续发酵装置，下列叙述正确的是 A.图中①为冷却水进口，②为冷却水出口 B.该装置只能用于异养需氧型微生物的发酵 C.使用该装置需要将选育出的优良菌种先进 　行扩大培养 D.连续发酵时，放出全部旧的培养基后再添 　加新的培养基 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 对点训练 图中①为冷却水出口，②为冷却水进口，这 样才能起到冷凝的作用，A错误； 该装置可以控制空气的进入，故该装置也能 用于厌氧型微生物的发酵，B错误； 在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优 良菌种经过多次扩大培养，当菌种达到一定 数量后再接种，C正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 对点训练 连续发酵是以一定速率不断地放出旧的培养基和代谢产物，同时不断添加新的培养基和调节相关发酵条件，使发酵过程保持相对稳定，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 对点训练 4.在分批发酵过程中，单细胞微生物如细菌的生长状况随着发酵罐中各种物质浓度的变化表现出一定的规律，如图所示。在工业生产上常作为“种子”的微生物生长时期是 A.延滞期 B.对数期 C.稳定期 D.衰亡期 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 对点训练 5.(2024·盐城高二期中)下列有关发酵工程的基本环节的叙述，正确的是 A.发酵工程的基本环节有原料的预处理、发酵培养基的配制、菌种选育 　和扩大培养、发酵生产和产物的分离与提纯等 B.接种不一定在无菌条件下进行 C.发酵过程中，不能再向发酵罐中添加营养物质，以免造成污染 D.整个发酵过程中通过人工方法对发酵过程中温度、pH、溶解氧等进行 　检测和控制，从而使发酵过程处于最佳状态 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 对点训练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 接种必须在无菌条件下进行，B错误； 在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度，以了解发酵进程，同时要严格控制发酵条件，如温度、pH等，故可能需要适时添加营养物质，C错误； 现代发酵工程中，可以利用计算机对发酵过程进行自动调节控制，使发酵罐内的发酵全过程处于最佳状态，D错误。 对点训练 题组二　发酵工程应用广泛 6.下列关于发酵工程应用的叙述，错误的是 A.红链霉产生的红曲色素可以用作食品添加剂 B.曲霉产生的葡聚糖酶可以预防龋齿 C.产黄青霉产生的青霉素是其次级代谢产物 D.可以通过发酵工程生产甜味剂 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 红曲色素是由红曲霉产生的，而不是由红链霉产生的，A错误。 对点训练 7.发酵工程广泛应用于多个行业，下列有关叙述错误的是 A.酵母菌可以作为酿制酱油、生产啤酒的菌种 B.接种固氮菌可增加土壤氮肥的肥力 C.用纤维废料发酵得到酒精，可减少环境污染、减缓能源短缺问题 D.用液体培养基可大规模生产流感病毒减毒疫苗 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 流感病毒减毒疫苗是流感病毒经过减毒处理得到的，需用特定的动物细胞进行培养，病毒不能独立地在液体培养基中生长繁殖，D错误。 对点训练 8.下列有关发酵工程应用的说法，错误的是 A.发酵工程可以生产酱油、泡菜等传统发酵食品 B.柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产 C.发酵工程可以生产多种药物，但是不能生产疫苗 D.发酵工程生产的单细胞蛋白可以制成微生物饲料 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 乙肝疫苗可用发酵工程的方法生产，这种方法生产乙肝疫苗的优点是酵母菌繁殖快，代谢旺盛，乙肝疫苗单位时间内的产量高，C错误。 对点训练 9.(2024·扬州高二期中)谷氨酸钠是味精的主要成分，工业上常用谷氨酸棒状杆菌发酵获得谷氨酸。下列叙述正确的是 A.谷氨酸棒状杆菌染色体上的DNA与RNA不完全相同 B.发酵过程中温度会升高，需用冷却水在发酵罐夹层中流动降温 C.搅拌器转速越快，越有利于氧含量的提高和发酵产物的积累 D.阻止谷氨酸排出菌体有利于合成谷氨酸相关酶活性的提高 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 综合强化 谷氨酸棒状杆菌是原核生物，没有染色体，A错误； 在利用发酵罐进行发酵的过程中，由于微生物的呼吸以及搅拌等都能产生大量的热，使发酵液温度升高，为防止温度过高影响酶的活性、降低谷氨酸产量，可以通过发酵罐夹层中的冷却水的热交换作用冷却降温，B正确； 搅拌有利于发酵液与谷氨酸棒状杆菌充分接触，还可以增加溶液中的氧含量，有利于谷氨酸棒状杆菌发酵，但是搅拌器转速太快，则可能影响谷氨酸棒状杆菌的生命活动，甚至使微生物裂解，不利于发酵，C错误； 促进谷氨酸排出菌体，有利于合成谷氨酸相关酶活性的提高，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 综合强化 10.(多选)下列关于发酵工程基本环节的分析正确的有 A.选育出的菌种应具有健壮、稳定、产量高等优点 B.发酵时要对温度、pH等发酵条件进行严格调控 C.应根据不同产品的类型采取适当的分离和纯化措施 D.发酵过程中排出的气体和废液可直接排放到环境中 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 √ √ √ 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 发酵工程选育出的菌种应具有健壮、稳定、产量高等优点，以满足发酵工程的需求，A正确； 在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等要经过一定的处理才能排放到外界环境中，直接排放会污染环境，D错误。 综合强化 11.(多选)(2024·无锡高二期末)与传统发酵技术相比，发酵工程的产品和种类更加丰富，产量和质量明显提高。下列叙述正确的是 A.发酵工程的产品只有微生物的代谢产物 B.发酵条件的变化会影响微生物的生长、繁殖和代谢途径等 C.发酵工程可以应用于污水处理或沼气发酵等方面 D.是否利用微生物进行发酵是发酵工程与传统发酵技术的最大区别 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 √ 综合强化 发酵工程的产品包括微生物的代谢产物、酶及微生物菌体等，A错误； 发酵工程与传统发酵技术都利用微生物进行发酵，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 综合强化 12.(多选)(2022·山东，14改编)青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中时，会通过分泌青霉素杀死细菌，以保证自身生存所需的能量供应。目前已实现青霉素的工业化生产，关于该生产过程，下列说法正确的是 A.发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖 B.可用深层通气液体发酵技术提高产量 C.选育出的高产菌株经扩大培养后才可接种到发酵罐中 D.青霉素具有杀菌作用，因此发酵罐不需严格灭菌 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 √ √ 综合强化 青霉菌处在葡萄糖浓度不足的环境中会通过分泌青霉素杀死细菌；提供相同含量的碳源，葡萄糖溶液单位体积中溶质微粒较多，会导致细胞失水，发酵液中的碳源不宜使用葡萄糖，乳糖是二糖，可被水解为半乳糖和葡萄糖，是青霉菌生长的最佳碳源，可以被青霉菌缓慢利用而维持青霉素分泌的有利条件，A正确； 青霉菌的代谢类型为异养需氧型，可用深层通气液体发酵技术提高产量，B正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 综合强化 选育出的高产青霉素菌株经扩大培养纯化后，才可接种到发酵罐中进行工业化生产，C正确； 为了防止细菌、其他真菌等微生物的污染，获得纯净的青霉素，发酵罐仍需严格灭菌，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 综合强化 13.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。请回答下列问题： (1)我国微生物发酵工程生产谷氨酸常用的菌种有谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的是________(填字母，多选)。 A.噬菌体　　　　 B.人类免疫缺陷病毒(HIV) 　　　C.禽流感病毒 D.肺炎链球菌 E.酵母菌 　F.硝化细菌 G.乳酸菌 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ABCE 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (2)谷氨酸发酵的培养基成分主要有葡萄糖、氨水、磷酸盐、生物素等，发酵装置如图所示。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢物中出现了大量的乳酸，从发酵条件看，其原因很可能是____________。 通气量不足 (3)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。 氮源 pH 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (4)谷氨酸棒状杆菌在发酵过程中要不断地通入无菌空气，并通过搅拌使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中，当培养基中碳氮比为4∶1时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少；当碳氮比为3∶1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。在无氧条件下，谷氨酸棒状杆菌代谢物是乳酸或琥珀酸。由此说明谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是____________ _____，由上述探究可知，通过发酵得到大量谷氨酸的发酵思路是_____ ______________________________________________________________ _____________________________________。 异养兼性厌 氧型 向发酵液中通入无菌空气，发酵液中碳氮比为4∶1培养一段时间使菌种大量繁殖，后将培养液的碳氮比改为3∶1 不断 综合强化 14.某研究小组设计了一个利用作物秸秆生产燃料乙醇的小型实验，主要步骤：先将粉碎的作物秸秆堆放在底部有小孔的托盘中，喷水浸润、接种菌T，培养一段时间后，再用清水淋洗秸秆堆(清水淋洗时菌T不会流失)，在装有淋洗液的瓶中接种酵母菌，进行乙醇发酵。实验流程如图所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 回答下列问题： (1)在粉碎的秸秆中接种菌T，培养一段时间后发现菌T能够将秸秆中的纤维素大量分解，其原因是_____________________。 菌T能够分泌纤维素酶 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (2)实验中用淋洗液为原料制备培养基，培养基中还需要加入氮源等营养成分，氮是构成微生物细胞中____________________________(答出1点即可)等生物大分子的主要元素。通常采用___________法对培养基进行灭菌，该灭菌方法的一般步骤：加水→装锅→加热→______________→保温保压→出锅，灭菌会导致 ____________(填“菌体”“芽 孢”或“菌体和芽孢”)死亡。 核酸(或蛋白质、DNA、RNA) 湿热灭菌 排空冷空气 菌体和芽孢 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (3)将酵母菌接种到灭菌后的培养基中，拧紧瓶盖，置于适宜温度下培养、发酵。拧紧瓶盖的主要目的是_______________。但是在酵母菌发酵过程中，还需适时拧松瓶盖，目的是______________。 制造无氧环境 排出二氧化碳 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (4)本实验收集的淋洗液中的________可以作为酵母菌生产乙醇的原料。与以粮食为原料发酵生产乙醇相比，本实验中乙醇生产方式的优点是______________________________________________________________________ (答出1点即可)。 葡萄糖 节约粮食(或废物利用、清洁环保、不污染环境、生产成本低、原料来源广) 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (5)采用现代工程技术手段，利用微生物或动植物细胞的特定功能，在人工控制的环境下生产满足人类需求的特定产品等的工程技术称为_________。沼气、天然气、味精和啤酒这四种生活用品的生产，与该技术无直接关系的是________。 发酵工程 天然气 综合强化 第一章 发酵工程 <<< $$