第21课时发酵工程.docx
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第21课时发酵工程
第21课时发酵工程
对应训练
1.下列有关谷氨酸发酵的叙述中，正确的是（）
A.发酵中要不断通入空气B.培养条件不当将不能得到产品
C.搅拌的惟一目的是使空气成为小泡D.冷却水可使酶活性下降
答案B
2.味精生产的一些生产措施中，正确的是（）
A.常用的菌种是谷氨酸棒状杆菌和金黄色葡萄球菌
B.培养基是含有五种营养成分的选择培养基
C.在发酵中要控制的只有温度、pH、通气量
D.谷氨酸用Na2CO3中和后，再经过滤、浓缩、离心而成
答案D
解析味精的主要成分是谷氨酸钠，其前体物是谷氨酸，通过谷氨酸棒状杆菌生产，生产过程用的培养基既是天然培养基又是液体培养基，发酵过程中除了要控制温度、pH、通气量外，还要控制转速等发酵条件。
3.下图表示发酵罐中各种因素对谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸的影响，其中不正确的是（）
答案C
解析解该题的正确分析过程为：
（1）温度可以通过影响酶的活性来改变谷氨酸的产生速率，在最适温度时产生速率最大，高于或低于该点都会使酶活性降低（甚至丧失）。
同理，pH对谷氨酸产生速率的影响也是这样的，故A、D正确；
（2）谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，随着溶氧量的增加（一定范围内），谷氨酸会随着该菌生长繁殖速率的加快而增加，但当溶氧量增大到一定值时，由于受其他条件（酶的数量与活性等）的限制不可能继续增加而达到最大产生速率，故B正确；（3）谷氨酸产生速率随时间的变化在最初阶段可能不断加快，当活菌数目达到最多（稳定期）时其产生总量会继续增加，但产生速率则不会再有明显加快的现象，故C错误。
4.下列说法正确的是（）
A.青霉素是抗生素，在青霉素生产过程中不需要严格灭菌
B.谷氨酸棒状杆菌要在隔绝空气的条件下发酵才能得到谷氨酸（味精的主要成分）
C.发酵罐中微生物的生长繁殖和代谢产物的形成与温度、溶氧量、pH等环境条件有关
D.在微生物代谢的调节中，组成酶的合成只受基因的控制，而诱导酶的合成只受诱导物的控制
答案C
5.用大肠杆菌生产胰岛素需应用的生物工程的组合是（）
①基因工程②细胞工程③发酵工程④酶工程
A.①②③B.①②④C.①③④D.②③④
答案C
解析一个产品的开发中，通常是由几个工程彼此合作来完成的。
用大肠杆菌生产胰岛素直接通过发酵工程实现，而把人的胰岛素基因转入大肠杆菌，是由基因工程完成的，并且基因工程所用的工具酶，来自酶工程。
6.（2006年广东高考，21）下列不需要利用发酵工程的是（）
A.生产单细胞蛋白饲料B.通过生物技术培育可移植的皮肤
C.利用工程菌生产胰岛素D.工厂化生产青霉素
答案B
解析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，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
在题目给出的选项中，通过生物技术培育可移植的皮肤是利用了动物细胞培养技术，而非发酵工程技术手段，其余选项符合题意。
有关谷氨酸发酵的考查
【例1】下图为谷氨酸发酵装置图。
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）谷氨酸发酵液的pH应控制在7~8范围内，随着代谢产物的积累，发酵液pH变化趋势是，控制办法是。
发酵过程中，若谷氨酸积累过量，会抑制的活性，导致合成途径中断，这种代谢调节方式称为调节。
（3）如果在４处通入空气，谷氨酸产量会，原因是。
答案
（1）冷却（降温或使温度控制在30~37℃）
（2）下降加碱（氨水）谷氨酸脱氢酶酶活性
（3）下降混入的杂菌产生竞争，分解或吸收谷氨酸
解析谷氨酸棒状杆菌发酵的温度是30~37℃，可通过发酵罐3、6的循环水来调节。
谷氨酸棒状杆菌发酵的pH是7-8，随代谢产物的积累，pH的变化趋势是下降，因此需要加碱（氨水）来中和。
发酵过程中，要及时移走发酵产物，否则谷氨酸大量积累会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，这种调节方式称为酶活性调节。
若在4处通入空气，空气中的杂菌就会与谷氨酸棒状杆菌产生竞争，分解或吸收谷氨酸。
关于发酵工程以及生产流程的考查
【例2】发酵工程在工业生产上得到广泛应用，其生产流程如下图所示。
结合赖氨酸或谷氨酸的生产实际，回答相关问题：
（1）人工控制微生物代谢的措施包括和。
目前采用①已经选育出不能合成高丝氨酸脱氢酶的。
（2）在发酵过程中，产物源源不断地产生。
这说明赖氨酸或谷氨酸的生产采用了的发酵方式。
在生产过程中，由于赖氨酸或谷氨酸的发酵菌种为，常需增加通氧量。
当发酵生产的产品是代谢产物时，还要采用②等分离提纯的方法进行提取。
答案
（1）改变微生物遗传特性控制生产过程中的各种条件诱变育种黄色短杆菌
（2）连续培养好氧菌萃取（或蒸馏或离子交换等）
解析发酵工程的第一步是菌种的选育，常用的方法有诱变育种、基因工程和细胞工程，人们采用诱变育种的方法培育出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的黄色短杆菌；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。
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法，其优点是缩短了培养周期，提高了设备利用率，并且便于自动化管理。
1.谷氨酸发酵生产中，必须不断地调整pH，原因是（）
①谷氨酸发酵的最适pH为7.0~8.0
②在发酵过程中，溶液的pH会发生变化
③当pH呈酸性时，谷氨酸的产量会下降
④不调整pH，培养液中生成的谷氨酸会转变成其他物质
A.①②③B.①②③④C.①②D.①④
答案A
解析谷氨酸发酵的最适pH为7.0~8.0。
接种前培养液的pH虽调节到这一范围，但在发酵过程中溶液的pH会因谷氨酸代谢的进行而发生改变，当pH高于或低于此范围值时，谷氨酸的产量均会下降。
2.下列哪项不是发酵过程中要完成的（）
A.随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度
B.不断添加菌种
C.及时添加必需的培养液组分
D.严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等条件
答案B
解析发酵过程中只在最初添加一次菌种，中途需随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度，以便了解发酵进程。
同时还应严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等条件，并及时添加必需的培养液组分以延长稳定期，增加产量。
3.基因工程培养的“工程菌”通过发酵工程生产的产品有（）
①石油②人生长激素③紫草素④聚乙二醇⑤胰岛素⑥重组乙肝疫苗
A.①③⑥B.②⑤⑥C.③⑤⑥D.②③⑤
答案B
解析石油是地层中的，紫草素是植物组织培养过程中培养到愈伤组织时形成的，聚乙二醇是化学产品。
4.下列关于平菇培养的操作程序，正确的是（）
A.配制牛肉膏蛋白胨培养基、接种、高压蒸气灭菌、培养
B.配制牛肉膏蛋白胨培养基、高压蒸气灭菌、接种、培养
C.配制棉子壳培养基、接种、高压蒸气灭菌、培养
D.配制棉子壳培养基、高压蒸气灭菌、接种、培养
答案D
解析平菇的代谢类型属于异养型，需要提供现成的有机物才能生长。
在题目给出的选项中，B选项是实验室中培养细菌等的方法，D选项则是人们常用的培养平菇的方法。
为了避免杂菌污染，应在接种前先进行灭菌处理。
微生物实验设计特别提醒
为测定谷氨酸棒状杆菌生长所需的最适pH，某同学设计了下列实验步骤。
a.配制适宜培养基分装到5个锥形瓶中；
b.用缓冲液分别调整pH为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，分别标号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ；
c.将每瓶培养基等量分装到3支试管中，加棉塞并包扎，每捆试管外挂上相应标签；
d.在酒精灯上加热煮沸10min，灭菌后冷却；
e.无菌条件下接种等量菌种；
f.放在37℃恒温箱中培养24h；
g.测定每管中谷氨酸的产量,记录、统计并分析结果。
上述步骤中有3个明显科学性错误，请在相应文字下用下划线标记，并按顺序改正：
①；
②；
③。
答案4.0、4.5、5.0、5.5、6.0在酒精灯上加热煮沸10min测定每管中谷氨酸的产量
改正：
①6.5、7.0、7.5、8.0、8.5②在98kPa下高压蒸气灭菌20min（答高压蒸气灭菌即给分）③测定菌体的细胞数目或测重量后再计算出细胞总重量（答一点即给分）
变式训练
有一种能生产食品香料添加剂的细菌，其生长速率、代谢产物的产量与培养液中的温度、pH、溶氧等关系如图所示：
（1）要获得最高产量，发酵罐内的温度、pH应分别调节为。
（2）该细菌新陈代谢的类型是。
（3）为了缩短生产周期，提高设备利用率，写出两种生产中常用的方法：
①；
②。
（4）发酵罐中，最初取样是每毫升10个细菌，培养一段时间后，再次取样是每毫升320个细菌，则细菌至少繁
殖次，再经过一段时间，每毫升中细菌的数量降为280个的原因是。
（5）为测定该细菌生长所需的最适pH，某同学欲设计实验进行探究，请帮他设计实验结果的数据统计表格（含标题）。
答案
（1）37℃、4.3
（2）异养厌氧型
（3）①采用连续培养装置②对菌种进行扩大培养，使用对数期的菌种接种
（4）5营养物质不断消耗、有害代谢产物积累、pH改变等
（5）不同pH下细菌的数量（或细胞总重量）统计表
1.（2008年沈阳模拟）影响谷氨酸棒状杆菌生长速率的是碳氮比，当碳氮比为4∶1时，菌体大量繁殖，而碳氮比为3∶1时，则繁殖减慢，产生的谷氨酸增多。
所以运用发酵工程生产谷氨酸时应选择的培养条件是（）
①对数期，培养基碳氮比为4∶1，隔绝空气
②对数期，培养基碳氮比为3∶1，隔绝空气
③对数期，培养基碳氮比为4∶1，通气培养
④稳定期，培养基碳氮比为3∶1，隔绝空气
⑤稳定期，培养基碳氮比为4∶1，通气培养
⑥稳定期，培养基碳氮比为3∶1，通气培养
A.②③B.①⑥C.③④D.③⑥
答案D
解析考查谷氨酸棒状杆菌的代谢特点、培养条件及碳氮比对培养结果的影响。
谷氨酸棒状杆菌是需氧型生物，所以培养时应始终通入无菌空气。
谷氨酸生产中，培养基中的C、N比最重要。
由题意知在该菌大量繁殖的对数期C∶N应为4∶1；稳定期活菌数目达到最高峰，细胞内大量积累代谢产物，此时培养基C∶N应为3∶1，所以D项正确。
2.图中的曲线A为谷氨酸棒状杆菌的生长曲线，那么曲线B的纵坐标可能表示（）
A.谷氨酸产量B.谷氨酸的产生速率
C.培养基的消耗量D.培养基的消耗速率
答案A
3.（2009年沙市检测）随着生物技术的快速发展，发酵工程为人类提供了越来越多的产品，生产啤酒、酸奶、味精、胰岛素的常用菌种分别是（）
A.酵母菌、醋酸杆菌、枯草杆菌、大肠杆菌
B.青霉菌、乳酸菌、黄色短杆菌、肺炎双球菌
C.酵母菌、乳酸菌、谷氨酸棒状杆菌、大肠杆菌
D.谷氨酸棒状杆菌、酵母菌、放线菌、大肠杆菌
答案C
4.单克隆抗体的制备、抗虫棉的培育、L-苹果酸的生产、单细胞蛋白的生产，依次是下列哪项生物工程技术取得的结果（）
①基因工程②细胞工程③发酵工程
A.③②③①B.②①③③C.②②①③D.①②③③
答案B
5.（2008年海淀模拟）沼气发酵是指人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。
下列有关叙述不正确的是（）
A.有足够数量含优良沼气菌种的接种物，有利于启动沼气发酵
B.为防止发酵产热导致池温过高，应定期打开池盖进行散热
C.发酵原料不仅要充足，而且需要适当搭配，保持一定的碳、氮比例
D.沼气发酵微生物将分泌纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等细胞外酶
答案B
解析产甲烷细菌属于厌氧菌，定期打开池盖，空气进入不利于产甲烷细菌的繁殖。
6.谷氨酸除用于制造味精外还可用于治疗神经衰弱及配制营养注射液，应用前景广泛。
光明制醋厂转产用谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸，结果代谢产物没有谷氨酸而生产出乳酸及琥珀酸，其原因是（）
A.温度控制不适B.pH呈碱性
C.pH呈酸性D.溶氧不足
答案D
7.发酵工程的第一个重要工作是选择优良的单一纯种。
消灭杂菌，获得纯种的方法不包括（）
A.根据微生物对碳源需要的差别，使用含不同碳源的培养基
B.根据微生物需要生长因子的种类，在培养基中增减不同的生长因子
C.根据微生物遗传组成的差异，在培养基中加入不同比例的核酸
D.根据微生物对抗菌素敏感性的差异，在培养基中加入不同的抗菌素
答案C
解析消灭杂菌，获得单一菌种，可使用选择培养基，即依据不同微生物对营养物质的需求差异，及对抗菌素的敏感性等差异，从而有目的地选出所需要的微生物类型，淘汰不需要的微生物类型，但加入核酸不能起到选择作用，因为微生物细胞不能直接利用核酸，只有先将核酸水解为核苷酸，然后再按照碱基互补配对原则，合成微生物的核酸。
8.（2008年盐城模拟）微生物生长速率最高时的培养温度叫最适生长温度，在此条件下某菌分裂用时最短，但科学工作者在青霉素的发酵过程中分四个阶段控制其培养温度，即：
结果其它青霉素产量比自始至终处于30℃恒温培养的产量提高14.7%，这说明（）
A.最适生长温度就是生长量最高时的培养温度
B.最适生长温度就是发酵速度最高时的培养温度
C.最适生长温度就是某一代谢产物产量最高时的温度
D.不同的生理变化过程有着不同的最适温度
答案D
解析最适生长温度是微生物生长速率最高时的培养温度，不是生产量最高，也不是发酵速度最高，更不是某一代谢产物产量最高时的培养温度；不同的生理变化过程有不同的最适温度，因为发酵的不同阶段产物不同，生理变化也不同。
9.如图表示发生于某种细菌内的反应程序。
①至⑥代表不同的氨基酸，V至Z代表不同的酶。
所有氨基酸对生命都是重要的。
原始种的细菌只需要从环境中摄取氨基酸①便可存活，而此细菌的变异种只有在培养基中提供氨基酸①②⑤才能生存。
变异种细菌细胞内不存在的酶是（）
A.V、WB.W、YC.Y、ZD.V、Z
答案D
解析变异菌必须提供①、②、⑤才能生存，说明变异菌不能由①合成②，也不能由④合成⑤，即细胞内缺乏酶V和酶Z。
10.下表是在一固定容积的发酵罐内培养酵母菌，并定时取样测定培养基的pH及菌体数量（万个/毫升）的结果，a~h是样品代号。
下面对该表的叙述中错误的是（）
a
b
c
d
e
f
g
H
活菌数
32
56
127
234
762
819
821
824
培养液pH
6.0
4.7
5.9
4.9
5.7
5.3
5.1
5.6
A.取样先后次序为a→c→b→g→f→h→d→eB.g样时次级代谢产物已有相当的积累
C.如果要扩大培养，可在c样时期选取菌种D.d样时培养基中的养分几乎被耗尽
答案A
解析酵母菌在培养过程中会产生CO2，使培养液的pH下降，故取样越晚，培养液的pH越小，取样的先后顺序为a→c→e→h→f→g→d→b；h→f→g段活菌数目最多，且相对稳定，故g样时期属于稳定期，该期次级代谢产物大量积累；由a→c→e期菌体数目迅速增加，故c样时期属于对数期，可进行扩大培养；g→d→b显示活菌数目急剧下降，故d样时期属于衰亡期，原因是营养物质大量消耗、有害代谢产物积累、pH发生变化等。
11.（2008年潍坊质检）下图为做发酵实验的装置，为了保证实验成功并能观察到良好的效果，应在三角瓶中装入（）
①氨基酸②酵母菌③碘液④葡萄糖⑤天然水⑥龙胆紫⑦凉开水⑧衣藻
A.②④⑦B.①②⑤C.①②④⑤⑦D.①②
答案A
解析狭义上的发酵是指微生物的无氧呼吸，而广义上的发酵是指通过对微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程。
由澄清石灰水可知，微生物应是酵母菌。
12.下列有关发酵工程的说法，正确的是（）
A.青霉素是抗生素，在生产青霉素过程中不需严格灭菌
B.单细胞蛋白是微生物的分泌蛋白
C.在隔绝空气的条件下，谷氨酸棒状杆菌才能发酵产生谷氨酸
D.利用酵母菌生产酒精时的初期应向发酵罐通入无菌空气
答案D
解析利用酵母菌生产酒精时的初期应向发酵罐通入无菌空气，目的是加快酵母菌的繁殖速率；当数量达到一定的程度时，再密封，产生酒精。
13.“筛选”是生物学中培育生物新类型常用的手段，下列有关技术过程中不可能筛选成功的是（）
A.在无氮培养基上筛选圆褐固氮菌
B.在不含精氨酸的培养液中筛选不能合成精氨酸的杂交细胞
C.在小麦试验田中普遍喷洒赤霉菌筛选抗赤霉菌小麦
D.基因工程中通过对细胞单独培养并检测目的基因产物进行筛选
答案B
解析圆褐固氮菌属于自生固氮菌，能在无氮培养基中生长，而其他非固氮微生物由于缺乏氮源而不能在无氮培养基中生存；基因工程中的受体细胞中目的基因的检测可以通过检测目的基因产物进行筛选。
14.（2008年西城模拟）在选育啤酒酵母菌种时，科研人员得到因线粒体缺失导致的呼吸缺陷型酵母菌。
在育种中发现，同样培养条件下该型酵母菌形成的菌落比正常酵母菌小三分之二。
（1）酵母菌培养基的培养物质应包括五大类：
，
麦芽糖属于其中的。
在营养和氧气充足时，正常酵母菌主要的生殖方式
是生殖。
（2）将等量的呼吸缺陷型酵母菌和正常酵母菌分别在有氧条件下培养，测得正常酵母菌产气量的变化如下图中曲线a所示，请回答问题：
①请在图中用虚线画出呼吸缺陷型酵母菌产气量的变化曲线。
②酵母菌经历了调整期之后，生长变化的几个阶段是。
③如果以C6H12O6为原料，请写出两种酵母菌的代谢反应式：
。
（3）在扩大培养呼吸缺陷型酵母菌时，研究人员利用了下列装置，甲、乙、丙装置内均盛有适合菌种生长的培养液。
要得到大量菌种，正确的做法是：
应在甲瓶呼吸缺陷型酵母菌处于期时，将菌种到乙瓶和丙瓶中；为使乙瓶和丙瓶中菌群获得最大增长率，应采取的主要控制措施有（写出两项）。
答案
（1）碳源、氮源、生长因子、水和无机盐（缺一不可）碳源出芽
①（画出低于a的曲线就给分）
②对数期、稳定期和衰亡期
③C6H12O6+6H2O+6O2
12H2O+6CO2+能量
C6H12O6
2C2H5OH（酒精）+2CO2+能量
（3）对数接种保持适宜的温度和pH（增加营养物质、振荡、搅拌）
15.下图是发酵工程的流程图，请据图回答：
（1）培养基配制好后，一定要灭掉培养基中的。
其目的是防止，防止。
（2）在发酵罐中发酵时，若要提高发酵罐中的溶氧量，可采用的措施是：
①调整；
②调整。
（3）若⑥是单细胞蛋白，则⑥代表的发酵产品是。
答案
（1）微生物（杂菌）的菌体、芽孢、孢子杂菌与所需微生物间发生竞争产量下降或得不到产品
（2）通入的无菌空气量发酵罐中搅拌器的转速
（3）微生物菌体
解析本题考查发酵工程的相关知识。
（1）培养基的灭菌要求是杀死微生物的菌体、芽孢及孢子，以免杂菌与菌种形成竞争，影响发酵产品的生产。
（2）提高发酵罐中的溶氧量，应增大通气（无菌空气）量，同时应加快搅拌速度。
（3）单细胞蛋白为微生物菌体。
16.（2009年商丘模拟）有一种能生产食品香料的细菌，其生长速率、代谢产物的产量与培养液中的温度、pH、溶氧量等关系如下图（图一）所示：
在生产实践中，人们设计了高效、自控、产品质量较稳定的两级连续培养装置（图二），回答有关问题：
（1）根据曲线图与甲装置的用途可知，甲装置内的温度、pH应分别调节为。
A.33℃和4.3B.33℃和5.5C.37℃和5.5D.37℃和4.3
（2）发酵过程中，通气装置控制阀应。
（3）在生产实践中，当甲装置内的细菌处于期时，可让甲装置中的培养基大量流入乙装置，这样有利于乙装置中细菌较快进入期，达到缩短生产周期的目的。
（4）从培养液中提取食品香料的方法有：
。
A.过滤B.蒸馏C.萃取D.沉淀
（5）如下图为该生产食品香料的代谢途径，若要大量合成食品香料，可采取的措施是：
。
答案
（1）B
（2）关闭（3）对数稳定（4）BC
（5）对该菌进行诱变处理，选育出不能合成酶③的菌种或改变细胞膜通透性，使代谢产物迅速排出细胞外
解析
（1）从温度与增长速率的关系上可以看出，生长的最适温度为33℃左右；从pH与增长速率的关系上可以看出，生长的最适pH为5.5左右。
（2）从溶氧量与生长速率的关系上可以看出，溶氧量越多，该细菌的增长速率越慢，所以该细菌为厌氧微生物，在发酵过程中应该关闭通气装置控制阀，禁止氧气的通入。
（3）在生产实践中，处于对数期的细菌，代谢旺盛，个体的形态和生理特征比较稳定，常作为生产用菌种和科研材料。
所以，当甲装置内的细菌处于对数期时可让甲装置中的培养基大量流入乙装置，这样有利于乙装置中细菌较快进入稳定期，达到缩短生产周期的目的。
发酵工程中菌种的选育一般有三种方式：
诱变育种、基因工程、细胞工程。
第（5）问中的图表示某种菌生产食品香料的代谢途径，图中反映出当食品香料物质和物质G同时积累过量时，会抑制酶①的作用，这是微生物代谢过程中酶活性的调节过程，若要大量合成食品香料，必须保证让食品香料物质和物质G不能同时积累过量。
所以常用的措施是选育不能形成酶③的菌种，或者是对发酵过程进行人工控制，改变生物膜的通透性，让代谢产物及时排出细胞外。
此题中涉及的图形较多，要准确地将曲线和图形信息转化为问题答案。
要分清楚甲装置和乙装置的作用，这是一个两级连续培养装置，甲装置的作用是进行微生物的培养过程，所有的条件应该适应菌种的生长和繁殖，所以坐标曲线中应该分析实线（增长速率曲线）的变化情况。
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