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第四节　发酵工程及其应用
课时概念解析　本课时的概念为“发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品，在医药、食品、农业等生产上有重要的应用价值”，这个概念的建构需要以下基本概念或证据的支持：
1.发酵工程是采用现代工程技术，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。
2.发酵工程在医药、食品、农业等领域具有重要应用价值。
一、发酵工程及其一般过程
1.发酵工程利用了微生物的特定功能
2.发酵工程的一般过程
(1)发酵工程的概念与主要步骤
(2)大型发酵罐
(3)发酵过程的自动调节控制
①氧含量的调节可以通过________和搅拌的________来实现。
②温度的调节可以通过发酵罐夹层或蛇形管中的冷却水的________作用来实现。
③pH的调节可以通过在培养基中添加________等来实现。
[微思考]
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？
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
3.分批发酵和连续发酵
(1)分批发酵
提醒：对数期微生物代谢活性高，生命力强，在生产上常作为“种子”，是科学研究中理想的实验材料。
(2)连续发酵
[辨正误]
(1)微生物适应性强、易变异的特定功能为通过育种大幅度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。(　　)
(3)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。(　　)
(4)在生产上常选择稳定期的微生物作为“种子”。(　　)
(5)连续发酵可以简化发酵步骤，缩短发酵周期，提高设备的利用率和单位时间产量。(　　)
1.发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产产品。常用谷氨酸棒状杆菌(好氧细菌)在如图所示的发酵罐中发酵来大量生产味精。回答下列问题：
(1)微生物菌种资源丰富，选择发酵工程所用的菌种时需要考虑哪些因素？
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
(2)怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
(3)在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
2.下面是分批发酵中的细菌生长曲线，请据图回答下列问题。
(1)在延滞期细菌浓度几乎没有变化，其原因是什么？______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
(2)处于对数期的微生物有什么特点？
_____________________________________________________________________
______________________________________________________________________
【学以致用】
1.(2024·江苏徐州期中)木聚糖酶可以将木聚糖(植物细胞壁的成分之一)降解为木糖，在酿造、饲料生产中有广泛应用。木聚糖酶可以用黑曲霉发酵生产，如图是生产该酶的连续发酵装置。有关叙述正确的是(　　)
A.菌种选育是发酵工程的中心环节
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溶氧量
2.(多选)下列关于分批发酵和连续发酵的叙述，正确的是(　　)
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多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短发酵周期等优点
二、发酵工程应用广泛
1.发酵工程产品的主要类型
产品类型 主要产物
________________ 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 ________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；________产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物
________________ 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
________________ 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、________、氨基酸、激素和________。
(2)发酵工程在食品业中的应用
①除了体现在酿造酒、醋、酱油等传统酿造业外，还用于生产________________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____________)等。
提醒：单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体。不能理解为从微生物菌体中提取的蛋白质。
(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。
[辨正误]
(1)氨基酸、核苷酸、蛋白质等属于初级代谢产物。(　　)
(2)单细胞蛋白既可用于食品加工，也可用于微生物饲料。(　　)
(3)生物农药主要指的是细菌杀虫剂。(　　)
(4)发酵工程在纺织、皮革制造和污水处理等方面都发挥着重要作用。(　　)
发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点，在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。思考回答下列问题：
(1)分析下列产品需要利用发酵工程技术进行生产的有哪些？
①生产单细胞蛋白饲料　②利用工程菌生产胰岛素　③工厂化生产青霉素
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
(2)利用发酵工程生产的生物农药防治害虫和化学农药防治相比，有何优缺点？
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
(3)利用微生物进行纤维素发酵生产乙醇，然后和汽油按一定比例混合，可形成乙醇汽油。请结合乙醇的性质，分析使用乙醇汽油有哪些优点？______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
【学以致用】
3.(2024·江苏常州阶段练习)下列对发酵工程及其应用的叙述，正确的是(　　)
A.用单细胞蛋白制成的微生物饲料，可通过发酵工程从微生物细胞中提取
B.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身
C.谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸时需将pH调至酸性
D.利用发酵工程生产的根瘤菌肥作为微生物农药可以促进植物生长
4.(多选)(2024·江苏苏州期中)利用生物技术可将废水、废料变废为宝，下图为某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线图，下列有关叙述正确的是(　　)
A.沼气池废料在加入反应器之前可不进行灭菌处理
B.该生产过程中，一定有二氧化碳等气体生成
C.图中微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水
D.通过上述发酵过程可以从酵母菌细胞中提取单细胞蛋白
1.下列有关微生物特定功能的叙述，正确的是(　　)
A.微生物生长旺盛、繁殖快，在发酵过程中一直呈几何级数增长
B.微生物吸收多、转化快的特定功能为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障
C.微生物具有适应性强、不容易变异的特定功能
D.微生物的多样性体现在物种的种类上
2.(2024·江苏盐城期中)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选育菌种、扩大培养、配制培养基、灭菌、接种和发酵、产品的分离和纯化
B.接种是发酵工程的中心环节，接种必须在无菌条件下进行
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
3.(2024·江苏淮安阶段练习)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”的生长时期是(　　)
A.延滞期 B.对数期
C.稳定期 D.衰亡期
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.利用发酵工程可以产生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.发酵产品只包括微生物的代谢产物
第四节　发酵工程及其应用
一、
自主梳理
1.几何级数　物种的种类　生理代谢类型
2.(1)微生物或动植物细胞　接种　灭菌　(2)排气口　pH控制器　搅拌器　无菌　(3)①通气量　速度　②热交换　③酸或碱
微思考
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。
3.(1)一次接种　延滞期、对数期、稳定期、衰亡期　(2)老的培养基和代谢产物　相关发酵条件　单罐连续发酵　多罐连续发酵　多次灭菌　发酵周期　设备的利用率和单位时间产量
辨正误
(1)√
(2)×　提示：乳酸的生产属于厌氧发酵。
(3)√
(4)×　提示：在生产上常选择对数期的微生物作为“种子”。
(5)√
合作探究
1.(1)提示：需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。
(2)提示：氧含量的调节可以通过通气量和搅拌的速度来实现，温度的调节可以通过发酵罐夹层或蛇形管中的冷却水的热交换作用来实现，pH的调节可以通过在培养基中添加酸或碱等来实现。
(3)提示：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。
2.(1)提示：细菌等微生物在刚接种到一个新的环境之后，需要经历一个短暂的适应时期，在此时期内，微生物一般不增殖。
(2)提示：此时细胞分裂增殖旺盛，代谢活性高、生命力强。
学以致用
1.D　[发酵工程的内容包括选育菌种、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵罐内发酵和分离、提纯产物等方面，发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，A错误；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的扩大培养，当达到一定数量后再接种，C错误；发酵需要有氧条件，通过改变通气量和搅拌速度可以调节培养液的溶氧量，D正确。]
2.ACD　[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、
自主梳理
1.微生物菌体细胞　初级代谢　次级代谢　微生物转化产物　工程菌发酵产物
2.(1)酶　免疫制剂　(2)①调味品或发酵食品　②单细胞蛋白　(3)生物农药　生物除草剂　饲料添加剂　(4)①纤维素酶
②污水处理
辨正误
(1)√　(2)√
(3)×　提示：生物农药主要包括真菌杀虫剂、细菌杀虫剂等。
(4)√
合作探究
(1)提示：①②③。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工厂化生产青霉素均需要利用发酵工程技术。
(2)提示：生物农药成本低、无污染；化学农药见效快，操作简单，但成本高、污染环境，且容易形成耐药性。
(3)提示：乙醇可通过粮食发酵制得，是可再生能源，推广使用乙醇汽油可以节省石油资源；乙醇燃烧生成二氧化碳和水，能减少汽车尾气的污染等。
学以致用
3.B　[单细胞蛋白即微生物菌体，不需要从微生物细胞中提取，A错误；发酵工程的产品可以是微生物的代谢物、酶以及菌体本身，B正确；谷氨酸棒状杆菌在中性或弱碱性条件下会积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺，故谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸时需将pH调至中性或弱碱性，C错误；根瘤菌肥作为微生物肥料，可以通过根瘤菌的固氮作用，增加土壤中的氮肥量，促进植物生长，D错误。]
4.ABC　[沼气生产利用的是厌氧微生物，在连续搅拌反应器中厌氧微生物会被抑制，因此沼气池废料无需灭菌，A正确；据图可知，该生产过程中有酿酒酵母的参与，酵母菌呼吸作用会产生二氧化碳，故该生产过程中，一定有气体生成，B正确；糖类是主要的能源物质，微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水，C正确；单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量的微生物菌体，从酵母菌细胞中提取出的蛋白质不属于单细胞蛋白，D错误。]
随堂检测
1.B　[微生物生长旺盛、繁殖快，但在发酵过程中不会一直呈几何级数增长，A错误；微生物具有适应性强、易变异的特定功能，C错误；微生物的多样性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，D错误。]
2.A　[发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，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、溶解氧，故可能需要适时添加营养物质等，C错误；现代发酵工程中，计算机控制系统可以通过负反馈机制，使发酵罐内的发酵过程处于最佳状态，D错误。]
3.B　[微生物生长分为延滞期、对数期、稳定期和衰亡期。对数期细胞分裂增殖旺盛，微生物数量增长速率最高，微生物浓度呈几何级数增长，由于此时微生物的代谢活性高，生命力强，在生产上常作为“种子”。故对数生长期的微生物常作为“种子”的生长时期，B正确。]
4.BC　[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；发酵工程在农业上的应用有生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等，微生物肥料可以增加土壤肥力、改善土壤结构、促进植株生长，C正确；发酵产品包括微生物的代谢产物或菌体，D错误。](共43张PPT)
第一章　发酵工程　
第四节　发酵工程及其应用
本课时的概念为“发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能，工业化生产人类所需产品，在医药、食品、农业等生产上有重要的应用价值”，这个概念的建构需要以下基本概念或证据的支持：
1.发酵工程是采用现代工程技术，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。
2.发酵工程在医药、食品、农业等领域具有重要应用价值。
课时概念解析
目录 CONTENTS
1.发酵工程及其一般过程
2.发酵工程应用广泛
3.随堂检测
自主梳理
合作探究
合作探究
思维导图
自主梳理
1.发酵工程利用了微生物的特定功能
几何级数
物种的种类
生理代谢
类型
2.发酵工程的一般过程
(1)发酵工程的概念与主要步骤
微生物或动植
物细胞
接种
灭菌
(2)大型发酵罐
排气口
pH控制器
搅拌器
无菌
(3)发酵过程的自动调节控制
①氧含量的调节可以通过________和搅拌的______来实现。
②温度的调节可以通过发酵罐夹层或蛇形管中的冷却水的________作用来实现。
③pH的调节可以通过在培养基中添加________等来实现。
通气量
速度
热交换
酸或碱
[微思考]
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。
3.分批发酵和连续发酵
(1)分批发酵
提醒：对数期微生物代谢活性高，生命力强，在生产上常作为“种子”，是科学研究中理想的实验材料。
一次接种
延滞期、对数期、稳定期、衰亡期
(2)连续发酵
老的培养基和代
谢产物
相关发酵条件
单罐连续发酵
多罐连续发酵
多次灭菌
发酵周期
设备的利用率和单位时间产量
×
√
[辨正误]
(1)微生物适应性强、易变异的特定功能为通过育种大幅度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：乳酸的生产属于厌氧发酵。
(3)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。( )
√
(4)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”。
(5)连续发酵可以简化发酵步骤，缩短发酵周期，提高设备的利用率和单位时间产量。( )
×
√
1.发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产产品。常用谷氨酸棒状杆菌(好氧细菌)在如图所示的发酵罐中发酵来大量生产味精。回答下列问题：
(1)微生物菌种资源丰富，选择发酵工程所用的菌种时需要考虑哪些因素？
提示：需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。
(2)怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
提示：氧含量的调节可以通过通气量和搅拌的速度来实现，温度的调节可以通过发酵罐夹层或蛇形管中的冷却水的热交换作用来实现，pH的调节可以通过在培养基中添加酸或碱等来实现。
(3)在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
提示：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。
2.下面是分批发酵中的细菌生长曲线，请据图回答下列问题。
(1)在延滞期细菌浓度几乎没有变化，其原因是什么？
提示：细菌等微生物在刚接种到一个新的环境之后，需要经历一个短暂的适应时期，在此时期内，微生物一般不增殖。
(2)处于对数期的微生物有什么特点？
提示：此时细胞分裂增殖旺盛，代谢活性高、生命力强。
●在“稳定期”细菌浓度维持稳定，此时限制细胞数量增加的主要原因是什么？怎样延长稳定期？
提示：此时限制因素主要是资源、空间有限，种内斗争加剧。可通过及时补充营养物质或分离代谢产物，改善培养条件等来延长稳定期。
●在“衰亡期”细菌数量下降的原因是什么？
提示：由于培养基中的营养物质被消耗，代谢产物积累和pH等环境条件的改变，导致其生长速率降低，死亡速率逐步增加，从而使微生物数量逐步减少。　　　
●发酵工程的一般流程图
●分批发酵过程中经历的时期及特征
时期 特征
延滞期 微生物一般不增殖
对数期 细胞分裂增殖旺盛，活微生物数量增长速率最高，代谢活性高、生命力强
稳定期 微生物的生长速率维持相对稳定
衰亡期 微生物生长速率降低，死亡速率增加，活的微生物量逐步减少
【 学以致用 】
D
1.(2024·江苏徐州期中)木聚糖酶可以将木聚糖(植物细胞壁的成分之一)降解为木糖，在酿造、饲料生产中有广泛应用。木聚糖酶可以用黑曲霉发酵生产，如图是生产该酶的连续发酵装置。有关叙述正确的是(　　)
A.菌种选育是发酵工程的中心环节
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溶氧量
解析：发酵工程的内容包括选育菌种、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵罐内发酵和分离、提纯产物等方面，发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，A错误；
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的扩大培养，当达到一定数量后再接种，C错误；
发酵需要有氧条件，通过改变通气量和搅拌速度可以调节培养液的溶氧量，D正确。
A.菌种选育是发酵工程的中心环节
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溶氧量
ACD
2.(多选)下列关于分批发酵和连续发酵的叙述，正确的是(　　 )
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多次灭菌、清洗、出料等步骤，缩短发酵周期等优点
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。
1.发酵工程产品的主要类型
产品类型 主要产物
________________ 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 __________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；__________产物，如抗生素、生物碱和植物激素类似物
微生物菌体细胞
初级代谢
次级代谢
________________ 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
________________ 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
微生物转化产物
工程菌发酵产物
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除了体现在酿造酒、醋、酱油等传统酿造业外，还用于生产__________________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____________)等。
免疫制剂
调味品或发酵食品
单细胞蛋白
酶
提醒：单细胞蛋白是以淀粉或纤维素的水解液、制糖工业的废液等为原料，通过发酵获得了大量的微生物菌体。不能理解为从微生物菌体中提取的蛋白质。
(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
饲料添加剂
纤维素酶
污水处理
×
√
[辨正误]
(1)氨基酸、核苷酸、蛋白质等属于初级代谢产物。( )
(2)单细胞蛋白既可用于食品加工，也可用于微生物饲料。( )
(3)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、细菌杀虫剂等。
(4)发酵工程在纺织、皮革制造和污水处理等方面都发挥着重要作用。( )
√
√
发酵工程以其生产条件温和、原料来源丰富且价格低廉、产物专一、废弃物对环境的污染小和容易处理等特点，在食品工业、医药工业和农牧业等许多领域得到了广泛的应用，形成了规模庞大的发酵工业。思考回答下列问题：
(1)分析下列产品需要利用发酵工程技术进行生产的有哪些？
①生产单细胞蛋白饲料　②利用工程菌生产胰岛素　③工厂化生产青霉素
提示：①②③。生产单细胞蛋白饲料、利用工程菌生产胰岛素、工厂化生产青霉素均需要利用发酵工程技术。
(2)利用发酵工程生产的生物农药防治害虫和化学农药防治相比，有何优缺点？
提示：生物农药成本低、无污染；化学农药见效快，操作简单，但成本高、污染环境，且容易形成耐药性。
(3)利用微生物进行纤维素发酵生产乙醇，然后和汽油按一定比例混合，可形成乙醇汽油。请结合乙醇的性质，分析使用乙醇汽油有哪些优点？
提示：乙醇可通过粮食发酵制得，是可再生能源，推广使用乙醇汽油可以节省石油资源；乙醇燃烧生成二氧化碳和水，能减少汽车尾气的污染等。
【 学以致用 】
B
3.(2024·江苏常州阶段练习)下列对发酵工程及其应用的叙述，正确的是(　　)
A.用单细胞蛋白制成的微生物饲料，可通过发酵工程从微生物细胞中提取
B.发酵工程的产品主要包括微生物的代谢物、酶及菌体本身
C.谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸时需将pH调至酸性
D.利用发酵工程生产的根瘤菌肥作为微生物农药可以促进植物生长
解析：单细胞蛋白即微生物菌体，不需要从微生物细胞中提取，A错误；
发酵工程的产品可以是微生物的代谢物、酶以及菌体本身，B正确；
谷氨酸棒状杆菌在中性或弱碱性条件下会积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺，故谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸时需将pH调至中性或弱碱性，C错误；
根瘤菌肥作为微生物肥料，可以通过根瘤菌的固氮作用，增加土壤中的氮肥量，促进植物生长，D错误。
ABC
4.(多选)(2024·江苏苏州期中)利用生物技术可将废水、废料变废为宝，下图为某工厂利用果糖生产废水和沼气池废料生产蛋白质的技术路线图，下列有关叙述正确的是(　 　)
A.沼气池废料在加入反应器之前
可不进行灭菌处理
B.该生产过程中，一定有二氧化碳等气体生成
C.图中微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水
D.通过上述发酵过程可以从酵母菌细胞中提取单细胞蛋白
解析：沼气生产利用的是厌氧微生物，在连续搅拌反应器中厌氧微生物会被抑制，因此沼气池废料无需灭菌，A正确；
据图可知，该生产过程中有酿酒酵母的参与，酵母菌呼吸作用会产生二氧化碳，故该生产过程中，一定有气体生成，B正确；
糖类是主要的能源物质，微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水，C正确；
单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量的微生物菌体，从酵母菌细胞中提取出的蛋白质不属于单细胞蛋白，D错误。
A.沼气池废料在加入反应器之前可不进行灭菌处理
B.该生产过程中，一定有二氧化碳等气体生成
C.图中微生物生长所需的碳源主要来源于果糖生产废水
D.通过上述发酵过程可以从酵母菌细胞中提取单细胞蛋白
B
1.下列有关微生物特定功能的叙述，正确的是(　　)
A.微生物生长旺盛、繁殖快，在发酵过程中一直呈几何级数增长
B.微生物吸收多、转化快的特定功能为发酵工程产生大量代谢产物提供了保障
C.微生物具有适应性强、不容易变异的特定功能
D.微生物的多样性体现在物种的种类上
解析：微生物生长旺盛、繁殖快，但在发酵过程中不会一直呈几何级数增长，A错误；
微生物具有适应性强、易变异的特定功能，C错误；
微生物的多样性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，D错误。
A
2.(2024·江苏盐城期中)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选育菌种、扩大培养、配制培养基、灭菌、接种和发酵、产品的分离和纯化
B.接种是发酵工程的中心环节，接种必须在无菌条件下进行
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
解析：发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，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、溶解氧，故可能需要适时添加营养物质等，C错误；
现代发酵工程中，计算机控制系统可以通过负反馈机制，使发酵罐内的发酵过程处于最佳状态，D错误。
D
3.(2024·江苏淮安阶段练习)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”的生长时期是(　　)
A.延滞期 B.对数期 C.稳定期 D.衰亡期
解析：微生物生长分为延滞期、对数期、稳定期和衰亡期。对数期细胞分裂增殖旺盛，微生物数量增长速率最高，微生物浓度呈几何级数增长，由于此时微生物的代谢活性高，生命力强，在生产上常作为“种子”。故对数生长期的微生物常作为“种子”的生长时期，B正确。
A.延滞期 B.对数期
C.稳定期 D.衰亡期
BC
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.利用发酵工程可以产生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.发酵产品只包括微生物的代谢产物
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；
发酵工程在农业上的应用有生产微生物肥料、微生物农药、微生物饲料等，微生物肥料可以增加土壤肥力、改善土壤结构、促进植株生长，C正确；
发酵产品包括微生物的代谢产物或菌体，D错误。
●如图为发酵工程中大型发酵罐结构示意图。
(1)图中3、6处是发酵罐夹层中水的进出口，水在发酵罐夹层流动的作用是____________________。
(2)若上图为赤霉素发酵装置图，图中5的作用是______________________________________________
______。
冷却降温
加快氧气的溶解以及散热，并能使菌种与培养液充分
接触
解析：(1)由于微生物的呼吸作用以及搅拌等都能产生大量的热，使发酵液温度升高，为防止温度过高降低酶的活性，采取了水在发酵罐夹层中流动以冷却降温的措施。
(2)赤霉素的生产属于需氧发酵，在4处需要通入无菌空气，图中5代表搅拌器，电机带动叶轮转动进行搅拌，可以加快氧气的溶解以及散热，并能使菌种与培养液充分接触。课时精练5　发酵工程及其应用
(时间：30分钟　分值：50分)
选择题：第1～10题，每小题3.5分，共35分。
【基础对点】
知识点1　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(　 )
微生物具有生长旺盛、繁殖快的特定功能
微生物具有吸收多、转化快的特定功能
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
微生物具有种类多、分布广的特点
2.(2024·江苏苏州期中)下图是某工厂的连续发酵装置，下列叙述正确的是(　　)
图中①为冷却水进口，②为冷却水出口
该装置只能用于异养需氧型微生物的发酵
使用该装置需要将选育出的优良菌种先进行扩大培养
连续发酵时，放出全部旧的培养基后再添加新的培养基
3.(2023·江苏南通模拟预测)利用发酵工程生产蓝莓酒需经过“清洗破碎→酶解→过滤→调整成分→接种→主发酵→倒灌过滤→后发酵→消毒→终止”等主要环节。下列叙述错误的是(　　)
酶解环节需要添加果胶酶和纤维素酶并控制酶解温度
工业发酵中为降低杂菌污染，发酵前需要对器具、原料等进行灭菌
酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都在主发酵阶段完成
主发酵和后发酵均需要密闭，且保持温度在28 ℃左右
4.青霉素是一种常用的抗生素，其工业化生产流程如图所示。下列相关叙述错误的是(　　)
图中的过程①、②都属于扩大培养，目的是增加菌种的数量
过程③可以用化学药物进行灭菌处理，防止培养基中掺杂其他微生物
青霉菌在罐内发酵是中心环节，该发酵过程高耗氧，要严格监控溶解氧
过程④常用的方法是过滤和沉淀，分离出的菌体可再投入发酵罐使用
5.下列关于发酵过程中微生物生长曲线的叙述，错误的是(　　)
在相同培养条件下接种对数期的菌种，延滞期将缩短
进入对数期的微生物代谢旺盛，形态和生理特性比较稳定
进入稳定期后不再产生新细胞，活细胞数目维持相对恒定
进入衰亡期后部分细胞解体，可释放出抗生素等代谢产物
6.连续发酵广泛应用于酒精、丙酮等产品的发酵生产过程中。下列关于连续发酵优点的叙述，错误的是(　　)
能及时补充微生物所需的营养物质
能改变细胞质膜的通透性，利于代谢产物的释放
有利于延长稳定期，提高产物的产量
有利于排出有害的代谢产物
知识点2　发酵工程应用广泛
7.(2024·江苏常州期中)下列有关发酵工程应用的说法，正确的是(　　)
发酵工程和传统发酵技术最大的区别是前者可以用微生物进行发酵
柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产
分离、提纯获得微生物细胞本身或其代谢产物是发酵工程的中心环节
通过发酵工程可从微生物细胞中提取单细胞蛋白可作为食品添加剂，也可制成微生物饲料
8.(2024·江苏苏州开学考试)科研人员以裙带菜茎为原料，以粮食加工副产品为辅料，通过微生物发酵技术开发裙带菜酱油，下图是其生产工艺流程，下列叙述错误的是(　　)
裙带菜茎、麸皮、豆粕和小麦混合物中的淀粉均可为曲霉提供碳源和氮源
蒸料可以杀死原料中的部分杂菌，蒸料后冷却的目的是防止高温杀死菌种
通风培养有利于黑曲霉和米曲霉快速生长繁殖、分泌多种水解酶
盐浓度过低容易引起酸醅腐败，浓度过高会抑制蛋白酶活性
【综合提升】
9.(多选)(2024·江苏盐城期中)普洱茶分为生普和熟普，其中熟普是以云南大叶种晒青茶为原料，经后发酵(人为加水提温，加速茶叶熟化，去除生茶苦涩，以达到入口纯和汤色红浓之独特品性)加工形成的。熟普的汤色红浓明亮，香气独特陈香，滋味醇厚回甘，叶底红褐均匀。熟普的香味会随着陈化的时间而变得越来越柔顺、浓郁。下列相关叙述正确的是(　　)
人为加水提温可以促进微生物繁殖，进而缩短原料发酵的时间
熟普发酵过程中环境条件变化会影响微生物的生长繁殖和代谢
熟普发酵一段时间后要进行灭菌并密封，有利于茶的长期保存
饮用熟普后回甘，可能是因为发酵后茶叶中单糖、二糖含量增加
10.(多选)利用农作物秸秆等纤维质原料生产的乙醇，经加工可制成燃料乙醇，从而减少了对石油资源的依赖。下图为生产燃料乙醇的简要流程，据图分析，下列叙述正确的是(　　)
要得到微生物A，最好选择富含纤维素的土壤采集土样
图中②过程常用的微生物B是酵母菌
微生物A和微生物B可利用的碳源相同
可用纤维素酶制剂代替微生物A起作用
11.(15分)中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖)为原料，在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值，工艺流程如图。请回答问题：
(1)(1分)发酵工程的正确操作过程是________________。
①发酵生产　②培养基的配制　③灭菌
④产物的分离与提纯　⑤菌种选育　⑥接种
⑦扩大培养
A.①③④⑤⑦②⑥ B.⑤⑦②③⑥①④
C.②⑤⑦③①⑥④ D.⑥⑤⑦②④③①
(2)(9分)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液体培养基中将蔗糖作为________，并不断提高其浓度，经多次传代培养(培养一段时间后，将部分培养物转入新配制的培养基中继续培养)以获得目标菌株。培养过程中宜采用________法对样品中的活菌进行接种和计数，以评估菌株增殖状况。若某次取样中，对菌液稀释了105倍后，在每个平板上涂布菌液的体积为0.1 mL，平板上的平均菌落数为220，则每毫升菌液中H菌的细胞数为________。用这种方法统计的结果往往较实际值________，原因是____________________________________
_____________________________________________________________________。
菌落数目需要每隔一段时间统计一次，选取菌落数目稳定时的记录作为结果，这样做的目的是__________________________________________________________
______________________________________________________________________。
(3)(5分)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60 g/L、pH为10，菌株H可正常持续发酵60 d以上。分析该系统不需要灭菌的原因是培养基的盐浓度设为60 g/L，杂菌________________；pH为10的条件导致杂菌________________。
课时精练5　发酵工程及其应用
1.C　[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变异。]
2.C　[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的扩大培养，目的是将菌种数目增多，当达到一定数量后再接种，C正确；此工艺流程(连续培养)以一定的速率不断添加新的培养基，同时放出旧的培养基，可大大提高生产效率，可以保证微生物对营养物质的需求、排出部分代谢物和使微生物保持较长时间的快速生长，D错误。]
3.D　[在果浆中添加果胶酶和纤维素酶可以酶解细胞壁，增加细胞内容物的释放，酶的活性受到温度的影响，所以酶解环节需要控制酶解温度，A正确；工业发酵一般是纯种发酵，为降低杂菌污染，发酵前需要对器具、原料等进行灭菌，保证纯种发酵，B正确；主发酵和后发酵是蓝莓酒发酵过程的两个阶段，主发酵的主要目的是进行酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成等，C正确；在生产过程中，一般利用酵母菌发酵产生酒精，主发酵前的阶段进行通气，使酵母菌进行有氧呼吸，促进微生物大量繁殖，后发酵阶段需要密闭，促进酵母菌进行无氧呼吸产生酒精，酵母菌的适宜生长温度是18～25 ℃，D错误。]
4.B　[图中的过程①、②都属于扩大培养，进行培养液的更换，有利于增加菌种的数量，A正确；过程③是利用高压蒸汽灭菌法对培养基进行灭菌，以防止培养基中掺杂其他微生物，B错误；青霉菌在罐内发酵是中心环节，发酵过程要随时检测培养液微生物数量、产物浓度、溶解氧等，以保证发酵过程的顺利进行，C正确；过程④是获得菌种，即微生物本身，常采用过滤和沉淀等方法将菌体分离和干燥，分离出的菌种可以再使用，D正确。]
5.C　[对数期的菌种细胞分裂增殖旺盛，微生物代谢活性高，生命力强，接种该时期的菌种，能缩短延滞期的时间，A正确；进入对数期的微生物代谢旺盛，形态和生理特性比较稳定，适宜作菌种或科研材料，B正确；进入稳定期后，微生物的增长速率维持相对稳定，既有新细胞的产生，也有细胞的死亡，活细胞数达到最大值，C错误；抗生素为微生物的代谢产物，衰亡期的细胞解体，代谢产物将被释放出来，D正确。]
6.B　[连续发酵是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。这样可以保证及时补充微生物所需的营养物质，延长稳定期，提高产量，同时有利于微生物尽快将代谢产物释放到培养基中，提高设备的利用率。但不能改变细胞质膜的通透性，若细胞质膜的通透性改变，说明菌体的活性降低，不利于生产，B错误。]
7.B　[发酵工程与传统发酵技术都需要利用微生物来进行发酵，A错误；现代的发酵技术能够按照人们的意愿创造出具有特殊性能的微生物，以生产人类需要的发酵产品，柠檬酸、乳酸等食品添加剂可以通过发酵工程生产，B正确；发酵罐内发酵是发酵工程的中心环节，C错误；单细胞蛋白是指利用发酵工程获得的大量的微生物菌体本身，D错误。]
8.A　[淀粉只含C、H、O，不能提供氮源，A错误；蒸料在高温下进行，可以杀死部分杂菌。蒸料后要接种菌种，因此蒸料后要先冷却，防止高温杀死菌种，B正确；黑曲霉和米曲霉是需氧型生物，通风培养有利于黑曲霉和米曲霉快速生长繁殖、分泌多种水解酶，C正确；适宜浓度的食盐有抑制微生物繁殖的作用，盐浓度过低抑制作用弱，容易引起酸醅腐败，浓度过高会抑制蛋白酶活性，D正确。]
9.ABD　[人为加水提温，温度适当提高可以提高相应酶的活性进而可以促进微生物繁殖，进而缩短原料发酵的时间，A正确；发酵过程需要适宜的温度和pH等，所以环境条件的变化会对微生物的生长繁殖和发酵产品产生一定的影响，B正确；熟普的香味会随着陈化时间而变得越来越柔顺、浓郁，说明熟普保存过程中仍在发酵，因此新茶发酵完成后进行灭菌并密封不利于进一步发酵，C错误；饮用熟普后回甘，可能是因为发酵后茶叶中单糖、二糖含量增加，导致甜味增加，D正确。]
10.ABD　[微生物A所用碳源为纤维素，微生物B所用碳源为纤维素降解物。]
11.(1)B　(2)唯一碳源　稀释涂布平板　2.2×108　小　当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落　防止因培养时间不足而遗漏菌落的数目　(3)因失水过多而死亡　酶变性失活
解析　(1)发酵工程一般包括菌种选育，扩大培养，培养基的配制，灭菌，接种，发酵生产，产物的分离与提纯等方面，则发酵工程的正确操作过程是⑤菌种选育→⑦扩大培养→②培养基的配制→③灭菌→⑥接种→①发酵生产→④产物的分离与提纯，A、C、D错误，B正确。(2)根据题意分析，该实验的目的是提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，结合微生物的代谢需求，其液体培养基应该以蔗糖作为唯一碳源。稀释涂布平板法可以通过梯度稀释和涂布平板最终获得由单个细胞繁殖来的菌落，因此培养过程中可定期取样并用稀释涂布平板法将菌液接种到固体培养基上，待形成菌落后进行菌落计数，评估菌株增殖状况；菌液中H菌的细胞数为220/0.1×105＝2.2×108(个/mL)，用这种方法统计的结果往往较实际值小，原因是当两个或多个细胞连在一起时，平板上看到的只是一个菌落；菌落数目需要每隔一段时间统计一次，选取菌落数目稳定时的记录作为结果，这样做的目的是防止因培养时间不足而导致遗漏菌落的数目。(3)已知菌株H具有嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，因此当培养基盐浓度为60 g/L、pH为10时，菌株H可正常持续发酵60 d以上，而盐浓度为60 g/L的条件下，其他杂菌因失水过多而死亡；pH为10的条件下，其他杂菌的酶变性失活，生长繁殖受抑制，故该系统不需要灭菌。

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