第3講發(fā)酵工程簡介

高頻考點突破實驗專題探究命題視角剖析第3講發(fā)酵工程簡介基礎自主梳理即時達標訓練基礎自主梳理一、應用發(fā)酵工程的生產(chǎn)實例——谷氨酸發(fā)酵二、發(fā)酵工程的概念和內(nèi)容1．概念：采用現(xiàn)代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把______應用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術。2．內(nèi)容(1)菌種的選育：獲得優(yōu)良菌種的方法有________、基因工程育種和____________。(2)培養(yǎng)基的配制根據(jù)____________原則，選擇原料配制，但配方需反復試驗。微生物誘變育種細胞工程育種培養(yǎng)基的配制(3)滅菌①滅菌對象：培養(yǎng)基和________。②污染雜菌的危害：產(chǎn)量大大下降，甚至得不到產(chǎn)品。(4)擴大培養(yǎng)和接種：使菌種增殖到一定數(shù)量，再接種。(5)發(fā)酵過程：是發(fā)酵的中心階段①隨時取樣檢測培養(yǎng)液中的________、________等。②及時添加必需的培養(yǎng)基組分，以滿足菌種的________。③嚴格控制____、____、____、通氣量與轉速等發(fā)酵條件。發(fā)酵設備細菌數(shù)目產(chǎn)物濃度營養(yǎng)需要溫度pH溶氧(6)分離提純①產(chǎn)品是菌體本身：采用過濾、____等方法。②產(chǎn)品是代謝產(chǎn)物：采用蒸餾、萃取、離子交換等方法。沉淀思考感悟擴大培養(yǎng)與發(fā)酵生產(chǎn)過程中的培養(yǎng)有何不同？【提示】擴大培養(yǎng)是為了讓菌體在短時期內(nèi)快速增殖，而發(fā)酵過程中的培養(yǎng)是為了獲得代謝產(chǎn)物，目的不同采用的培養(yǎng)條件就有可能不同。三、發(fā)酵工程的應用1．醫(yī)藥工業(yè)：生產(chǎn)各種藥物。2．食品工業(yè)(1)生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如____、果酒、食醋等。(2)生產(chǎn)食品添加劑，如酸味劑、鮮味劑、色素、甜味劑等。(3)為解決糧食短缺開辟新的途徑，如用酵母菌等生產(chǎn)__________。啤酒單細胞蛋白高頻考點突破1．發(fā)酵(1)含義：狹義上的發(fā)酵是指微生物的無氧呼吸，而廣義上的發(fā)酵則包括有氧發(fā)酵(如氨基酸發(fā)酵)和厭氧發(fā)酵(如酒精發(fā)酵)。(2)分類考點一發(fā)酵與發(fā)酵工程分類依據(jù)種類培養(yǎng)基狀態(tài)固體發(fā)酵，液體發(fā)酵等產(chǎn)物不同抗生素發(fā)酵、維生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵等對氧的需求厭氧發(fā)酵、需氧發(fā)酵2.發(fā)酵工程(1)內(nèi)容：包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。(2)流程3．二者的區(qū)別與聯(lián)系發(fā)酵是個過程，是通過微生物培養(yǎng)大量生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物的過程，而發(fā)酵工程是一種生物技術，采用現(xiàn)代工程技術手段，人工控制環(huán)境條件，進行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)。發(fā)酵工程這種生物技術的應用給傳統(tǒng)的發(fā)酵業(yè)帶來了很大的變化?！久麕燑c撥】①培養(yǎng)基在滿足微生物的營養(yǎng)需求的基礎上，應盡量降低生產(chǎn)成本。以得到更高的經(jīng)濟效益②擴大培養(yǎng)是將培養(yǎng)到對數(shù)期的菌體分開，分開進行培養(yǎng)，以促使菌體數(shù)量快速增加，能在短時間里得到大量的菌體。即時應用(隨學隨練，輕松奪冠)1．下列有關谷氨酸棒狀桿菌生產(chǎn)谷氨酸的過程的敘述中正確的是(

)①各個生長時期的長短是固定的，無法人為縮短生長周期②對數(shù)期是采樣留種的最佳時期③在穩(wěn)定期補充營養(yǎng)物質(zhì)可以提高產(chǎn)量④調(diào)整期是收獲代謝產(chǎn)物的最佳時期⑤在谷氨酸棒狀桿菌生長的穩(wěn)定期，活菌數(shù)不再增加，谷氨酸產(chǎn)量也不再增加⑥發(fā)酵罐接種前必須進行滅菌處理⑦菌體能合成各種生長因子，不需要從外界補充A．①②⑥⑦B．②③⑥C．③④⑥⑦D．①④⑤⑥⑦解析：選B。各個生長時期的長短可以人為縮短控制。加大接種量可以縮短調(diào)整期，采用連續(xù)培養(yǎng)法，可以延長穩(wěn)定期；調(diào)整期的代謝產(chǎn)物積累的很少；穩(wěn)定期雖然活菌數(shù)不再增加，但谷氨酸產(chǎn)量迅速積累；菌體需要從外界補充生長因子，否則不能正常生長?？键c二影響發(fā)酵過程的因素分析【名師點撥】菌體生長和產(chǎn)物合成所需的最適溫度不一定相同，因此，通常通過實驗來確定不同菌種各發(fā)酵階段的最適溫度，進行分段控制。pH改變的原因：發(fā)酵工程中營養(yǎng)物質(zhì)的利用、代謝產(chǎn)物的積累等。調(diào)整措施：添加緩沖物質(zhì)或在發(fā)酵過程中補加氨水、尿素、(NH4)2CO3、CaCO3等。調(diào)整措施：通過通氣量和攪拌速度加以調(diào)節(jié)。4．營養(yǎng)物質(zhì)的濃度C/N比、無機鹽、維生素：影響菌體生長和代謝產(chǎn)物的積累，如C/N＝3∶1時，谷氨酸棒狀桿菌大量合成谷氨酸；但當C/N＝4∶1時，谷氨酸棒狀桿菌大量繁殖而產(chǎn)生谷氨酸少。

即時應用(隨學隨練，輕松奪冠)2．在谷氨酸發(fā)酵過程中，關于培養(yǎng)基成分或條件改變對谷氨酸棒狀桿菌生長和產(chǎn)物影響的敘述，正確的是(

)A．配制高濃度營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基，會使谷氨酸棒狀桿菌大量繁殖B．將培養(yǎng)基中的C/N比控制為3∶1時，有利于提高谷氨酸的產(chǎn)量C．培養(yǎng)基的pH呈酸性時，代謝產(chǎn)物將會是乳酸或琥珀酸D．谷氨酸棒狀桿菌為厭氧菌，培養(yǎng)基中需嚴格控制溶氧、通氣量等發(fā)酵條件解析：選B。營養(yǎng)液濃度過高，會使谷氨酸的代謝下降，溶氧不足才會生成乳酸或琥珀酸，谷氨酸棒狀桿菌為需氧菌。實驗專題探究驗證性實驗與探究性實驗的異同生物學實驗試題能很好地考查學生的理解能力、分析問題的能力、實驗探究能力，以及語言組織能力，實驗題型按照不同分類標準可劃分為不同的類型，按實驗結果是否已知可分為驗證性實驗和探究性實驗。兩類實驗的比較如下表：探究性實驗驗證性實驗實驗目的探索研究對象的未知屬性、特征以及與其他因素的關系驗證研究對象的已知屬性、特征以及與其他因素的關系實驗假設假設一般采用“如果A，則B”的形式表述，是根據(jù)現(xiàn)有的科學理論、事實，對所要研究的對象設想出一種或幾種可能性的答案、解釋結論是已知的，因此不存在假設問題(或已有實驗過程、結果，在提出假設時，通過驗證，得出假設是正確的)探究性實驗驗證性實驗實驗原理因探究內(nèi)容而異因驗證內(nèi)容而異實驗過程應有的實驗步驟實際上并未完成，因探究內(nèi)容而異應有的實驗步驟，可以是曾經(jīng)做過或尚未做過的，因驗證內(nèi)容而異實驗的分組：有實驗組和對照組。如果實驗中有一個自變量，則分成2組(有時也分成3組)，即自變量改變與否；如果有兩個自變量，則分成3組，即1、2組的設立是改變其中的一個自變量，第3組是第二個自變量改變與否；……實驗組和對照組的設計是對自變量的處理，無關變量應設置為相同的條件，以免影響實驗的效果，因此從實驗材料中分析出自變量是實驗的關鍵探究性實驗驗證性實驗實驗現(xiàn)象未知，可以不描述已知，應準確描述實驗結果預測對假設分類討論。一般需討論“如果出現(xiàn)結果①會怎樣，如果出現(xiàn)結果②或③又會怎樣”，一般有多種可能的結果。但有時也會出現(xiàn)“預測最可能的結果”的問題，此種情況應根據(jù)已有知識推測最合理的結果與實驗假設一致(不可與探究性的結果預測相混)實驗結論根據(jù)可能的實驗結果，進行分析對應實驗目的做出肯定結論實戰(zhàn)演練(專項提能，小試牛刀)

(1)如圖為某種細菌的生長曲線及A、B兩種代謝產(chǎn)物積累曲線。請據(jù)圖回答問題：①A產(chǎn)物合成始于細菌生長曲線的________期，屬于________代謝產(chǎn)物。②B產(chǎn)物的積累量在細菌生長曲線的________期最大。(2)絕大多數(shù)微生物的最適生長溫度為25～37℃。為了探究培養(yǎng)溫度對谷氨酸棒狀桿菌代謝產(chǎn)物(谷氨酸)合成量的影響，設計如下實驗。在實驗中有4處錯誤，分別標以①、②、③、④，請依次分析錯誤原因。第一步：設定培養(yǎng)溫度為第二步：將菌種接種到滅菌后的液體培養(yǎng)基中，分別在設定的溫度條件下第三步：定時取樣，分別測定谷氨酸合成量，記錄結果并繪制曲線。實驗結果預測及結論：若在30℃培養(yǎng)條件下，谷氨酸合成量最大，則認為，①__________________________________________。②__________________________________________。③__________________________________________。④__________________________________________。解析：(1)A產(chǎn)物合成始于細菌生長曲線的對數(shù)期，是細菌生長發(fā)育到一定階段后才產(chǎn)生的，屬于次級代謝產(chǎn)物。B產(chǎn)物的積累量在細菌生長曲線的穩(wěn)定期達到最大。(2)根據(jù)題意，絕大多數(shù)微生物的最適生長溫度為25～37℃，所以設定的溫度范圍應為25～37℃，不能過窄。谷氨酸棒狀桿菌是好氧菌，不應密閉培養(yǎng)，應不斷向培養(yǎng)基中通入無菌空氣。從調(diào)整期至衰亡期均有谷氨酸的合成，故測定谷氨酸合成量應在整個生長期取樣，取樣時期有遺漏。由于溫度設定范圍過窄，所以實驗結果有局限性，合成谷氨酸的最適培養(yǎng)溫度有可能高于30℃。答案：(1)①對數(shù)次級②穩(wěn)定(2)①溫度設定范圍過窄②谷氨酸棒狀桿菌是好氧細菌，不應密閉培養(yǎng)③從調(diào)整期至衰亡期均有谷氨酸的合成，故取樣時期有遺漏④實驗結果有局限性，合成谷氨酸的最適培養(yǎng)溫度有可能高于30℃視角1緊扣教材重點——谷氨酸發(fā)酵下列有關發(fā)酵罐中谷氨酸發(fā)酵的敘述中，正確的是(

)A．發(fā)酵中不斷通入純氧氣B．攪拌的目的只是使空氣形成細小氣泡，增加培養(yǎng)基中的溶氧量C．冷卻水可使酶的活性下降D．若培養(yǎng)條件不當就可能不能得到所需產(chǎn)品命題視角剖析例1【思路點撥】解答本題的關鍵有以下兩點：①正確分析谷氨酸發(fā)酵過程中所需的各種條件。②理解并掌握每種影響因素可能的影響機理。【嘗試解答】

D【解析】選項詳細分析A發(fā)酵中不斷通入的是無菌空氣而并非純氧，否則成本會很高B攪拌的目的不只是使空氣形成小泡，增加培養(yǎng)基中的溶解氧，還能使菌種與培養(yǎng)液充分接觸，提高原料的利用率C冷卻水并非使酶的活性下降，而是降低整個發(fā)酵罐中的溫度，使發(fā)酵罐散熱D由于發(fā)酵罐中因攪拌、微生物代謝等因素會造成熱量過多而使溫度上升，否則會影響微生物的代謝；若培養(yǎng)條件不當，可能就不能得到所需產(chǎn)品，如當溶氧不足時，生成的代謝產(chǎn)物會是乳酸或琥珀酸，而不是谷氧酸視角2洞察高考熱點——發(fā)酵工程流程發(fā)酵工程在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應用，其生產(chǎn)流程如下圖所示。結合賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)實際，回答有關問題。例2(1)人工控制微生物代謝的措施包括________________和______________。目前采用①__________________已經(jīng)選育出不能合成高絲氨酸脫氫酶的__________________新菌種。(2)選育好的菌種進行擴大培養(yǎng)后，應選用________期的菌種接種到發(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)液中，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)在發(fā)酵過程中，產(chǎn)物源源不斷地產(chǎn)生，這說明賴氨酸或谷氨酸的生產(chǎn)采用了______的發(fā)酵方式。在生產(chǎn)過程中，由于賴氨酸或谷氨酸的發(fā)酵菌種為________，常需增加通氧量。當發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品是代謝產(chǎn)物時，還要采用②______分離提純的方法進行提取?！緡L試解答】

(1)改變微生物的遺傳特性控制生產(chǎn)過程中的各種條件誘變育種黃色短桿菌(2)對數(shù)細菌代謝旺盛、形態(tài)和生理特性穩(wěn)定(3)連續(xù)培養(yǎng)好氧菌萃取(或蒸餾或離子交換等)【解析】

(1)人工控制微生物代謝的措施包括改變微生物的遺傳特性和控制生產(chǎn)過程中的各種條件，目前已經(jīng)采用誘變育種的方法選育出不能合成高絲氨酸脫氫酶的黃色短桿菌的菌種。(2)接種時一般選擇對數(shù)期的菌種接種，因為這一時期的菌種代謝旺盛、形態(tài)和生理特性穩(wěn)定。(3)發(fā)酵過程中，采取連續(xù)培養(yǎng)的方法可大大提高生產(chǎn)效率。由于生產(chǎn)賴氨酸或谷氨酸的細菌為好氧型細菌，因此要增加通氣量。當發(fā)酵產(chǎn)品是代謝產(chǎn)物時，一般用蒸餾、萃取、離子交換等方法提取，當發(fā)酵產(chǎn)品為菌體時，一般采用過濾、沉淀等方法分離。視角3突破易錯疑點菌種選育方式育種類型原理方法優(yōu)、缺點誘變育種基因突變物理、化學、生物因素誘變能大幅度改良某些性狀，操作簡便，但具有很大的盲目性育種類型原理方法優(yōu)、缺點基因工程DNA重組將目的基因導入受體細胞，構建工程細胞或工程菌能定向改變微生物的遺傳性狀，但操作過程復雜，要求高細胞工程細胞膜的流動性等體