人教版 (2019)选择性必修3第3节 发酵工程及其应用导学案

这是一份人教版 (2019)选择性必修3第3节 发酵工程及其应用导学案，共8页。学案主要包含了理清主干知识，发酵工程的基本环节，发酵工程的应用等内容，欢迎下载使用。

第3节 发酵工程及其应用

一、理清主干知识
一、发酵工程的概念
发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
二、发酵工程的基本环节
三、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，如酱油和各种酒类。
(2)生产各种各样的食品添加剂，如柠檬酸和谷氨酸等。
(3)生产酶制剂，如α淀粉酶、β淀粉酶、果胶酶、氨基肽酶和脂肪酶等。
2．在医药工业上的应用
生产抗生素、多种氨基酸、激素和免疫调节剂等。
3．在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料，如根瘤菌肥、固氮菌肥等。
(2)生产微生物农药，如苏云金杆菌、白僵菌、井冈霉素等。
(3)生产微生物饲料，如单细胞蛋白。
4．在其他方面的应用
(1)利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。
(2)嗜热菌、嗜盐菌可以用来生产洗涤剂，嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量。
二、诊断自学效果
1．判断下列叙述的正误
(1)发酵是指利用微生物的生命活动来获得各种不同代谢产物的过程(×)
(2)发酵工程中，温度和pH的改变会影响微生物的代谢途径(√)
(3)单细胞蛋白就是从人工培养的微生物菌体中提取的蛋白质(×)
(4)发酵工程一般用半固体培养基(×)
2．用发酵工程生产的产品，如果是菌体，则进行分离提纯时可采用的方法是( )
A．蒸馏、过滤 B．过滤、沉淀
C．萃取、离子交换 D．沉淀、萃取
解析：选B 发酵工程生产的如果是菌体，可采用过滤、沉淀等方法分离提纯；如果产品是代谢产物，则可采用蒸馏、萃取、离子交换等措施进行分离提纯。
3．(2020·济南一模)下面与发酵工程有关的叙述，错误的是( )
A．发酵罐中必须通入无菌空气
B．不经处理排放的废弃培养液是一种污染物
C．培育新菌种，可用于分解更多种类的有机污染物
D．发酵工程在医药工业、食品工业和环境保护等方面均有广泛应用
解析：选A 发酵罐中的微生物如果是需氧型微生物，则必须通入无菌空气，如果是厌氧型微生物，则不能通入无菌空气，A错误；不经处理排放的废弃培养液中含有大量的发酵微生物，是一种污染物，B正确；培育新菌种，增加了分解者的种类，可用于分解更多种类的有机污染物，C正确；发酵工程广泛应用于医药工业、食品工业和环境科学等方面，D正确。
eq \a\vs4\al(新知探究一 发酵工程的基本环节)
[在探究中学明]
观察分析教材第22、23页图19，思考回答下列问题
1．微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？
提示：选择发酵工程用的菌种时需考虑：能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物；菌种改造的可操作性要强；遗传性能要相对稳定；生长速度快，不易感染其他微生物或噬菌体等。
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：要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度等以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分，以满足菌种的营养需要。同时，要严格控制温度、pH、溶解氧等发酵条件。
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：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体从发酵液中分离出来。如果产品是代谢产物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
4．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。要防止排出的气体和废弃培养液中的微生物或活性物质污染环境。
eq \a\vs4\al([典例]) 发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如图所示。结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际分析，下列说法错误的是( )
A．①为诱变育种，②为萃取(或蒸馏、离子交换等)
B．赖氨酸或谷氨酸的生产过程中为使产物源源不断地产生，可采用连续培养的发酵方式
C．由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，在生产过程中常需增加通氧量
D．人工控制微生物代谢的唯一措施是控制生产过程中的各种条件
[解析] 由题意分析可知，图中①为诱变育种，②为萃取(或蒸馏或离子交换等)，A正确；延长稳定期可以提高代谢产物的产量，要达到这一目的可采用连续培养的发酵方式，B正确；由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为好氧菌，因此在生产过程中常需增加通氧量，C正确；人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件(即发酵条件)等，D错误。
[答案] D
[在应用中落实]
1．下列对发酵工程内容的叙述，错误的是( )
A．用诱变育种、细胞工程、基因工程等方法选育出性状优良的工程菌并进行扩大培养
B．根据工程菌所需的营养精确地配制出合成培养基并进行严格灭菌处理
C．发酵过程中必须严格地检测并控制发酵条件
D．用适当的方法分离提纯产品并严格地进行质量检查
解析：选B 发酵工程分为选育菌种、扩大培养、配制培养基、灭菌、接种、发酵、分离提纯等几步，A、C、D三项中的内容皆与发酵生产流程中的要求一致；发酵工业生产中，多采用天然的液体培养基，即用化学成分不明确的天然物质配制而成，如玉米粉、牛肉膏等，B项叙述错误。
2．根据发酵工程流程图及微生物相关知识，回答下列问题：
(1)根瘤菌之所以能进行固氮作用，是因为其体内具有高等植物不具有的固氮酶，固氮基因表达的途径是________________________________________。除根瘤菌外，人们应用最多的另一类固氮微生物是圆褐固氮菌。某同学在做微生物实验时，不小心将圆褐固氮菌和酵母菌混在一起，如果要把它们分开，所用的培养基从用途上划分属于________培养基，依据的原理是圆褐固氮菌能够在________的培养条件下生长繁殖，而酵母菌则不能。
(2)在题图所示发酵工程的流程中，生产人胰岛素的工程菌是由①技术获得的，则①是____________________技术；高产青霉素菌种是通过②获得的，则②技术是____________________；操作④表示________。发酵工程的产品有两类，若a代表菌体本身，则b代表的另一类是________________。
解析：(1)根瘤菌属于原核生物，控制固氮酶的基因表达过程为转录和翻译。分离微生物所使用的培养基按功能分属于选择培养基，圆褐固氮菌属于自生固氮微生物，可以在没有氮源的培养条件下生长繁殖。(2)据图分析：①表示转基因(或基因工程)技术，②表示诱变育种(或人工诱变)，③表示接种，④表示灭菌。若a代表菌体本身，则b代表微生物代谢产物。
答案：(1)固氮基因eq \(――→,\s\up7(转录))mRNAeq \(――→,\s\up7(翻译))固氮酶 选择 没有氮源 (2)转基因(或基因工程) 诱变育种(或人工诱变) 灭菌 微生物代谢产物
eq \a\vs4\al(新知探究二 发酵工程的应用)
[在探究中学明]
1．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)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通过生物技术快速繁育兰花等花卉 ③利用工程菌生产胰岛素 ④工厂化生产青霉素
提示：①③④。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手段；通过生物技术快速繁育兰花等花卉属于植物组织培养技术，而非发酵工程技术手段。
(2)酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的生产分别利用了哪种微生物的发酵？
提示：酱油、各种酒类、柠檬酸和谷氨酸的发酵生产利用的微生物分别是霉菌(如黑曲霉)、酿酒酵母、黑曲霉和谷氨酸棒状杆菌。
2．观察分析教材第24、25页“啤酒的工业化生产流程”，思考回答：与传统的手工发酵相比，在啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
提示：接种单一高质量纯种、严格的消毒灭菌措施、培养基营养物质协调、严格的发酵条件控制等，都使啤酒的产量和质量明显提高。
eq \a\vs4\al([典例]) 如图所示为面包霉体内合成氨基酸的途径。若在发酵工程中利用面包霉来大量生产氨基酸b，采取的最佳措施是( )
A．用CaCl2处理面包霉，改变其细胞膜的通透性
B．提高反应物中面包霉生长因子的含量，并加大面包霉的接种量
C．通过基因工程导入合成酶③的基因
D．通过人工诱变，选育出不能合成酶②的面包霉
[解析] 用CaCl2处理面包霉，改变其细胞膜的通透性，可以使氨基酸a和b过量，从而抑制中间产物的分解，不能大量生产氨基酸b；提高反应物中面包霉生长因子的含量，并加大面包霉的接种量不能大量生产氨基酸b；通过基因工程导入合成酶③的基因，这样中间产物还可能受到氨基酸a的影响，并不能大量生产氨基酸b；通过人工诱变，选育出不能合成酶②的面包霉，可以使中间产物不能生成氨基酸a，进而大量产生氨基酸b。
[答案] D
[在应用中落实]
1．下列关于发酵工程的说法，错误的是( )
A．发酵工程的产品是指微生物的代谢产物或菌体本身
B．可通过人工诱变选育新菌种
C．培养基、发酵设备和菌种必须经过严格的灭菌
D．利用基因工程、发酵工程的方法可以用大肠杆菌及酵母菌细胞生产干扰素
解析：选C 菌种不能进行灭菌，C错误。
2．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。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北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌等，下列生物中与这些菌种在结构上存在明显区别的有__________。(多选)
A．噬菌体 B．人类免疫缺陷病毒(HIV)
C．禽流感病毒 D．肺炎双球菌
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。可以判断谷氨酸棒状杆菌的代谢类型是________________型。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢产物中出现了大量的乳酸，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________，而且起到调节培养液________的作用，所以应该分次加入。
(4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自________________。
(5)图中所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养液，同时又以同样的速度放出旧的培养液，此工艺流程可以大大提高生产效率，试阐述其原因：____________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)北京棒状杆菌、谷氨酸棒状杆菌和黄色短杆菌都是原核生物，没有成形的细胞核，而噬菌体、人类免疫缺陷病毒(HIV)和禽流感病毒都没有细胞结构，酵母菌是真核生物，因此与这些菌种在结构上存在明显区别的有A、B、C、E。(2)谷氨酸发酵的培养基成分中有葡萄糖，说明其代谢类型是异养型，图中通入无菌空气，说明其代谢类型是需氧型。某厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢产物中出现了大量的乳酸，乳酸是无氧呼吸的产物，所以原因很可能是通气量不足。(3)氨水是细菌生长所需的氮源，同时还有调节培养液pH的作用。(4)某厂的发酵液曾不慎被噬菌体污染，菌群死亡殆尽，但人们却侥幸从中获得了少数可抵抗噬菌体的新菌种，细菌这种新性状的产生来自基因突变(或突变)。(5)图中所示连续培养的方法，以一定的速度不断添加新的培养液，同时又以同样的速度放出旧的培养液，此工艺流程可以大大提高生产效率，原因是①保证微生物对营养物质的需求；②排出部分代谢产物；③使微生物保持较长时间的快速生长。
答案：(1)ABCE (2)异养需氧 通气量不足 (3)氮源 pH (4)基因突变(或突变) (5)①保证微生物对营养物质的需求；②排出部分代谢产物；③使微生物保持较长时间的快速生长
[课堂巩固落实]
1．发酵工程的正确操作过程是( )
①发酵 ②培养基的配制 ③灭菌 ④产品的分离与提纯 ⑤菌种的选育 ⑥扩大培养 ⑦接种
A．⑤②⑥⑦①③④ B．⑤⑥②③⑦①④
C．②⑤③⑦①⑥④ D．⑦⑥⑤②③①④
解析：选B 发酵工程的基本操作过程为菌种的选育、扩大培养、培养基的配制、灭菌、接种、发酵过程、产品的分离提纯。
2．通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是好氧的谷氨酸棒状杆菌。下面有关谷氨酸发酵过程的叙述，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．常用的谷氨酸棒状杆菌为好氧菌，因此培养基中需严格控制溶解氧、通气量等发酵条件
C．排出发酵罐中的谷氨酸，不利于谷氨酸的合成和产量的提高
D．发酵液pH呈碱性时，谷氨酸棒状杆菌易合成谷氨酰胺
解析：选B 谷氨酸棒状杆菌在扩大培养时，培养基中营养物质的浓度要合适，若浓度过高，不利于谷氨酸棒状杆菌的大量繁殖，A错误；谷氨酸棒状杆菌是一种好氧菌，扩大培养应在有氧条件下进行，B正确；谷氨酸发酵过程中，当谷氨酸合成量过多时，就会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，从而使谷氨酸的合成过程中断，因此需要及时地排出谷氨酸，才可以解除此抑制作用，有利于谷氨酸的合成和产量的提高，C错误；谷氨酸发酵过程中，当发酵液的pH为酸性时，谷氨酸棒状杆菌易合成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺，D错误。
3．青霉素作为治疗细菌感染的药物，是20世纪医学上的重大发现，是抗生素工业的首要产品。请根据下图回答问题：[注：冷冻干燥孢子是在极低温度(－70 ℃左右)、真空干燥状态下保藏的菌种；米孢子是生长在小米或大米培养基上的孢子]
(1)目前发酵生产中常用的高产青霉素菌种是通过________方法选育的。青霉菌与大肠杆菌相比，前者在细胞结构上的最显著特点是______________________。据图可以判断青霉菌的代谢类型是________________，生殖方式为________。
(2)在生产和科研中，青霉素在稳定期积累最多，故生产中常用________的方法延长此时期。
(3)培养基的配制要满足青霉菌对____________________________等营养物质的需求。若在该培养基中添加蛋白胨，从化学成分上看该培养基可称为________培养基。种子罐2又叫繁殖罐，可推测②属于发酵工程中的________________阶段。发酵罐接种________(填“前”或“后”)，必须进行灭菌处理。
解析：(1)发酵生产中常用的高产青霉素菌种是通过诱变育种产生的；青霉菌是真核生物，大肠杆菌属于原核生物，两者在细胞结构上的最显著特点是青霉菌的细胞中有成形的细胞核；据图可知，青霉菌的代谢类型为异养需氧型，繁殖方式为孢子生殖。(2)微生物的次级代谢产物在稳定期积累最多，生产中常用连续培养的方法延长此时期。(3)培养基的成分一般包括水、无机盐、碳源、氮源，还含有特殊物质，如生长因子。在该培养基中添加蛋白胨，从化学成分上看该培养基可称为天然培养基。由于种子罐2又叫繁殖罐，可推测②属于发酵工程中的扩大培养阶段，发酵罐接种前必须经过灭菌。
答案：(1)诱变育种 青霉菌的细胞中有成形的细胞核 异养需氧型 孢子生殖 (2)连续培养 (3)碳源、氮源、生长因子、无机盐、水 天然 扩大培养 前
学有目标——新课程标准必明
记在平时——核心语句必背
1.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。
2．举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上的应用价值。
1.发酵工程是指利用微生物的特定功能，通过现代工程技术，规模化生产对人类有用的产品。
2．发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品的分离、提纯等方面。
3．发酵工程的应用主要体现在食品工业、医药工业和农牧业等方面。