资源简介

1.3 发酵工程及其应用学案
【学习目标】
1.概述发酵工程的一般流程
2.阐明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
3.举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值
【学习重难点】
重点：发酵工程的基本环节，发酵工程的应用。
难点：发酵工程的基本环节。
【预习新知】
发酵工程的基本环节
1．选育菌种：性状优良的菌种可以从 中筛选出来，也可以通过 或
获得。
2．扩大培养：工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，因此在发酵之前还需要对菌种进行 。
3．配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。培养基的配方要经过 才能确定。
4．灭菌： 和 都必须经过严格的灭菌。
5．接种：扩大培养的菌种和灭菌后的 加入发酵罐中
6．发酵罐内发酵：在发酵过程中，要随时检测培养液中的 、 等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的 ，要严格控制 、 和溶解氧等发酵条件。
7．分离、提纯产物：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用 等方法将菌体分离和干燥得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的 措施来获得产品。
发酵工程的应用
1．在食品工业上的应用
(1)生产传统的发酵产品，如　　　　　　　。
(2)生产各种各样的食品添加剂，如通过　　　发酵制得的柠檬酸，由　　　　　　　发酵生产味精。
(3)生产酶制剂，如α淀粉酶、β淀粉酶、脂肪酶等。
2．在医药工业上的应用
　　工程、　　　工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。
3．在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料。微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的　　　、　　　　　　等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，常见的有　　　　、　　　　等。
(2)生产微生物农药。微生物农药是利用　　　或　　　　来防治病虫害的。微生物农药作为　　　　的重要手段，将在农业的
　　　　　方面发挥越来越重要的作用。
(3)生产微生物饲料。微生物含有丰富的　　　。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　　　　　，即单细胞蛋白，用单细胞蛋白制成的微生物饲料，能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
4．在其他方面的应用
发酵工程正渗透到几乎所有的工农业领域，在助力解决　　　
　　　　　和　　等方面的重大问题上，作出了越来越大的贡献。
【巩固训练】
1.青霉素的发现和产业化生产推动了发酵工程在医药领域的应用和发展。下列有关青霉素发酵工程的叙述正确的是( )
A.发酵过程中，pH会改变，进而影响菌种的生长繁殖
B.发酵完成后，需对菌体进行破碎，才能分离得到青霉素相关产物
C.产青霉素的菌种代谢类型为异养厌氧型，发酵过程中需隔绝氧气
D.产青霉素的菌种为原核生物，发酵液的pH应调成中性偏碱
2.废水、废料经加工可变废为宝。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如图所示。下列叙述正确的是( )
A.该生产过程中，一定有气体生成
B.微生物生长所需碳源主要来源于沼气池废料
C.该生产工艺利用微生物厌氧发酵技术生产蛋白质
D.沼气池废料和果糖生产废水在加入反应器之前需要灭菌处理
3.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，下列说法错误的是( )
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
4.人们用木质纤维素类生物材料生产燃料乙醇的过程中需要将纤维素转化为单糖，再将单糖发酵转化为乙醇。科研人员分离得到了一种能将纤维素直接转化为乙醇的菌株A用于生产，发酵工艺经过优化后，乙醇的产量可达70%。下列叙述错误的是( )
A.筛选菌株A时可以使用以纤维素为唯一碳源的选择培养基
B.可通过向培养基中添加较高浓度的乙醇来筛选产乙醇能力强的菌种
C.纤维素转化为单糖和单糖发酵产生乙醇的过程都只产生少量能量
D.优化后的发酵工艺不仅降低了生产成本，还降低了杂菌污染的风险
5.液体深层培养是指以获得大量发酵产物为目的的发酵罐大容量液体培养，可通过调节培养液的pH和温度、营养条件以及气体环境促使微生物迅速生长，产生大量代谢产物，是发酵工业生产的基本培养方法。下列相关叙述错误的是( )
A.在进行液体深层培养前需要对发酵罐中的培养基进行严格灭菌
B.在培养厌氧微生物时，前期密封保持无氧，后期可根据产物不同决定是否放气
C.若发酵产品是微生物代谢产物，发酵结束后，可通过过滤、沉淀等方法获得
D.液体深层培养过程中要密切关注培养液的pH、温度以及营养物质的消耗情况
6.下列对发酵工程内容的叙述，错误的是( )
A.发酵工程的中心环节是在发酵罐内的发酵
B.发酵过程使用的菌种可以从自然界存在的微生物中直接筛选
C.发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标
D.通过对微生物细胞产物进行提取、分离和纯化等措施可获得单细胞蛋白
7.利用传统发酵技术和发酵工程生产产品，下列说法正确的是( )
A. 传统发酵技术酿酒与发酵工程酿酒的基本原理不同
B. 两者均可获得高纯度微生物菌体本身及其代谢产物
C. 发酵工程利用微生物进行发酵，传统发酵技术不是利用微生物
D. 传统发酵技术通常在自然条件下进行，发酵工程可人为控制发酵条件
8.如图为谷氨酸发酵过程中谷氨酸棒杆菌进行的生化代谢途径，下列叙述错误的是( )
A.发酵过程中需及时分离谷氨酸以提高谷氨酸产量
B.发酵过程需要严格控制发酵罐的温度、pH、溶解氧等条件
C.可以通过X射线照射的手段定向获得高产的谷氨酸棒杆菌
D.发酵生产过程中，要尽可能减少菌种的传代次数
9.由于发酵工程生产条件温和、原料来源丰富、价格低廉等，在食品工业、医药工业、农牧业等许多领域得到了广泛的应用。下列有关发酵工程在食品工业上应用的叙述，不正确的是( )
A.食用酱油的制作以小麦为主要原料，将原料中的蛋白质分解成小分子的肽和氨基酸
B.柠檬酸是通过黑曲霉发酵制得的一种广泛应用的食品添加剂
C.味精是由谷氨酸棒状杆菌发酵得到的谷氨酸经过一系列处理而获得的
D.某种放线菌产生的抗生素——井岗霉素可用于防治水稻纹枯病
10.下列关于啤酒的工厂化生产的叙述，不正确的是( )
A.酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代谢物的生成都是在主发酵阶段进行的
B.主发酵阶段结束后，发酵液即适合饮用，且含有活菌
C.后发酵阶段要在低温、密闭条件下进行
D.加入的啤酒花能使啤酒产生泡沫和特殊的苦味
参考答案
1.答案：A
解析：A、微生物的生长繁殖需要适宜的温度、pH和溶解氧等培养条件，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过程，A正确；
B、青霉素是分泌到细胞外的产物，不需要对菌体进行破碎，B错误；
C、产青霉素的菌种代谢类型为异养需氧型，发酵过程中需通入氧气，C错误；
D、产青霉素的菌种为真核生物，发酵液的pH应调成中性偏酸，D错误。
故选A。
2.答案：A
解析：A、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，A正确；B、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，B错误；C、分析图示可知，该技术中有连续搅拌反应器的过程，该操作的可以增加微生物与营养物质的接触面积，此外也可增大溶解氧含量，故据此推测该生产工艺利用微生物的有氧发酵技术生产蛋白质，C错误；D、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，D错误。故选A。
3.答案：D
解析：A、青霉菌处于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；
B、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；
C、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；
D、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。
故选D。
4.答案：C
解析：A，分析题意可知，本实验目的是筛进能将纤维素直接转化为乙醇的菌株，则培养基应以纤维素为唯一碳源，在该培养基上只有能利用纤维素的菌株能生存，A正确；
B，要筛选的目的菌能第将单糖发转化为乙醇，可通过向培养基中添加较高浓度的乙醇来筛选产乙醇能力强的菌种，B正确；
C，纤维素转化为单糖是在酶的作用下进行的，该过程不产生能量，单糖发酵产生乙醇的过程是无氧呼吸过程，该过程中只有第一阶段产生少量能量，C错误；
D，发酵工艺经过优化后，乙醇的产量可达70%，该过程不仅降低了生产成本，同时利用酵母道进行发酵还降低了杂菌污染的风险，D正确，故选C。
5.答案：C
解析：A、为了防止微生物的污染，则在进行液体深层培养前需要对发酵罐中的培养基进行严格灭菌，A正确；
B、在培养厌氧微生物时，前期密封保持无氧，后期可根据产物是否含有气体，则决定是否放气，B正确；
C、发酵产品不同，分离、提纯的方法不同，如果发酵产品是微生物细胞本身，可采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，如果产品是代谢产物，可用萃取、蒸馏、离子交换等方法进行提取，C错误；
D、营养物质、pH、温度等条件会影响微生物的代谢，所以液体深层培养过程中要密切关注培养液的pH、温度以及营养物质的消耗情况，D正确。
故选C。
6.答案：D
解析：A、发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配置，灭菌，接种，发酵、产品的分离，提纯等方面，中心环节是在发酵罐内的发酵，A正确；B、用于发酵的菌种可以从自然界中筛选，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得，B正确；C、发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、营养物质等都会影响发酵的效率，因此发酵过程中要全程监控发酵罐中的pH、溶解氧和温度等指标，C正确;D、如果发酵产品是微生物细胞本身，即单细胞蛋白，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品，D错误。
7.答案：D
解析：A、传统发酵技术酿酒与发酵工程酿酒的基本原理相同，均是利用酵母菌在无氧条件下代谢产生酒精，A错误；
B、传统发酵技术无法获得高纯度微生物菌体本身，B错误；
C、发酵工程和传统发酵技术均是利用微生物进行发酵，C错误；
D、传统发酵技术通常在自然条件下进行，发酵工程则在人为控制温度、pH等发酵条件下进行，D正确。
故选D。
8.答案：C
解析：A、据图可知，谷氨酸积累会抑制谷氨酸脱氢酶的作用，故发酵过程中需及时分离谷氨酸以提高谷氨酸产量，A正确；B、发酵是发酵工程的中心环节，为了获得合格的谷氨酸，需要严格控制温度、pH和溶解氧等条件，B正确；C、X射线照射可诱发基因突变，基因突变的方向是不确定的，C错误；D、发酵生产过程中，要尽可能减少菌种的传代次数，以免该过程中菌种发生变异，D正确。故选C。
9.答案：A
解析：A、食用酱油的制作以大豆为主要原料，A错误;B、柠檬酸是一种广泛应用的食品酸度调节剂，即食品添加剂，可通过黑曲霉发酵制得，B正确;C、味精的生产是谷氨酸棒状杆菌在有氧条件下发酵产生谷氨酸，谷氨酸经过一系列处理而获得的，C正确;D、某种放线菌产生的抗生素井岗霉素可用于防治水稻纹枯病，属于生物防治，D正确。故选A。
10.答案：B
解析：主发酵阶段结束后,发酵液还不适合饮用，需要经过一段时间的后发酵,才能形成澄清、成熟的啤酒,B错误。

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