第六节生物科学与工业(一)

生物科学与工业(一)主讲：黄冈优秀生物教师张孝中一、知识概述1、发酵工程的概念；2、微生物的代谢和生长；3、发酵工程的一般过程；4、发酵工程的应用。二、重点知识归纳及讲解（一）发酵工程的概念1、概念在微生物纯培养技术日益成熟、密闭式发酵罐设计成功的基础上，采用现代工程技术手段，利用某些微生物生长速度快、培养条件简单等特点，在人工控制的环境下生产有用产品的新技术叫做发酵工程。现在的发酵工程不再是利用微生物代谢活动进行生产的简单工艺，而是逐步演变为一个综合微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机工程的一个多学科工程。2、理解理解发酵工程概念时，注意与发酵概念的区别。发酵是个过程，是通过微生物培养大量生产各种代谢产物的过程，而发酵工程是一种生物技术，采用现代工程技术手段，人工控制环境条件，进行大规模的发酵生产，所以发酵工程是应用于发酵过程中的一种生物技术。发酵工程这种生产技术的应用给传统的发酵业带来了很大的变化。因此，应用现代工程技术手段及人工控制环境条件等在概念理解时要特别注意，不要死记硬背概念。（二）微生物的代谢和生长1、微生物代谢的概念及特点2、微生物的代谢产物3、细菌群体的生长规律及各时期的特点细菌群体从开始生长到死亡的动态变化分为：延迟期、对数期、稳定期、衰亡期。各时期比较如下表：4、影响微生物生长的环境因素（三）发酵工程的一般过程（四）发酵工程的应用发酵工程在轻工业、食品工业、化学工业、制药业等领域有着广泛的应用。-返回-同步测试一、选择题1、有关谷氨酸发酵的叙述中正确的是（）A．发酵中要不断地通入空气B．培养条件不当将不能得到产品C．搅拌的唯一目的是使空气成为小泡D．冷却水可使酶活性下降2、发酵过程中用一定的转速搅拌除能使菌种与培养液充分接触，提高原料的利用率外，还能增加（）A．放料速率B．冷却水循环C．进料数量D．溶氧数量3、环境条件的变化会影响微生物的（）①生长繁殖②代谢途径③代谢产物④蛋白质含量A．①②③B．①④C．③④D．①②③④4、用发酵工程生产单细胞蛋白，可用来制成“人造肉”供人食用，这种蛋白是（）A．微生物菌体B．微生物代谢产物C．微生物合成物质D．发酵液5、发酵罐发酵的过程中，使温度升高的热量来源于（）①冷却水供应不足②微生物代谢旺盛③培养基不新鲜④搅拌⑤放料口排出产物A．①②③④⑤B．②③④C．①④D．②④6、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发酵生产谷氨酸，结果代谢物没有谷氨酸而产生乳酸及琥珀，其原因是（）A．温度控制不达B．通气量过多C．pH呈酸性D．溶氧不足7、作为生产用和科研材料用菌种，常选用_____时期的细菌（）A．延迟期B．对数期C．稳定期D．衰亡期8、当环境温度超过最适生长温度以后，微生物的生长速率会急剧下降，是由于细胞内哪些物质发生了不可逆的破坏（）A．蛋白质和核酸B．蛋白质和磷脂C．核酣和磷脂D．载体和DNA9、在微生物群体生长规律的测定中，种内斗争最显著最激烈的时期是（）A．延迟期B．对数期C．稳定期D．衰亡期10、利用酵母菌酿酒时，如果一直向发酵罐内通O2，其结果是（）A．酵母菌大量死亡，酒精减产B．酵母菌数量不变，酒精产量不变C．酵母菌数量增多，酒精增产D．酵母菌数量增多，不产生酒精显示提示1、B进行谷氨酸发酵的菌种谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等是异养需氧型微生物，所以要在培养过程中不断通入空气，但必须通入的是无菌空气，否则易造成杂菌污染。搅拌不但使空气成为小气泡以增加培养基中的溶氧量，还能使培养基与菌种充分接触，提高原料的利用率。在培养过程中，由于微生物的代谢产热和机械磨擦生热会使培养基的温度升高，达到一定程度，酶和核酸的结构遭到破坏，培养会因此受到影响，因此降低温度是保证酶正常活性的条件之一，而不会使酶活性下降。当培养条件不恰当时，不能得到谷氨酸。如pH降低时，将得到乙酰谷氨酰胺，溶氧量降低时将得到乳酸或琥珀酸。2、D3、A解该题应从如下两步入手分析：第一步，环境条件的变化包括温度、pH、溶氧（通气）等的改变，可以影响到微生物生长繁殖、代谢活动的各个方面。第二步，解题应学会选择最佳答案，从①②③④来看，④蛋白质含量的说法范围过小，与题目中“微生物”的涵盖面不完全相符，而其余各项对任何种类的微生物都是适宜的。因此环境变化对所有微生物的影响应主要表现为①②③。4、A5、D解答该题应从如下几步入手分析：第一步，题目问的是使温度升高的热量来源，而冷却水只能带走热量，不能产生热量，故排除A和C选项。第二步，发酵过程中呼吸作用可以产生大量的化学能，且大部分转变成了热能；而搅拌除了增加溶氧、加快反应速度外，同时还通过摩擦产生了热能。第三步，培养基的新鲜程度可影响代谢速度，但与热量的产生无直接关系，放料口排出产物属同理。6、D谷氨酸棒状杆菌发酵产生谷氨酸，受温度、pH、溶氧、通气量、旋转速度等发酵条件的限制。当溶氧不足时，生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸。7、B处于对数期的细菌，代谢旺盛，个体形态和生理特性比较稳定，常作为生产用的菌种和科研用的材料。9、C种内斗争反应了种内生物对生存空间和生活资源的争夺。随着微生物个体数目的增加，每个个体的生存空间越来越小，营养物质也越来越少，每个个体对生存空间和资源的争夺也越来越激烈，种内斗争就越来越激烈。由此可见，在稳定期的种内斗争最激烈。在衰亡期，微生物的数目已经开始减少，pH已经极度不适于微生物的生存，次级代谢产物积累到很高的程度，这时的微生物的生存斗争主要是与无机环境的斗争。10、D酵母菌是兼性厌氧微生物，在有氧和无氧条件下能以不同代谢方式生长繁殖。一直通O2，酵母菌可进行有氧呼吸，释放的能量多，有利于酵母菌的大量繁殖，但不能产生酒精。酒精是酵母菌无氧呼吸的产物。二、简答题11、下图是发酵工程生产产品的流程图。据图回答：（1）能生产人生长激素的工程菌是通过①培养的，①是________；高产青霉素菌种是通过②培育的，②是________；③是_________。（2）④表示_______，⑤表示__________。（3）整个过程的中心阶段是发酵，在此阶段需要随时取样、检测_____等，以了解发酵进程，还要及时添加_________，同时严格控制_________。（4）若⑥是单细胞蛋白的话，⑥是______。氨基酸、维生素属⑦中的_______产物。显示答案（1）基因工程诱变育种细胞工程（2）接种灭菌（3）细菌数目和产物浓度培养基发酵条件（溶氧、温度、pH、通气量、转速）（4）微生物菌种初级代谢12、下图为细菌生长曲线。请分析回答：（1）图中AB段为_____期，BC段为______期，CD段为____期，DE段为_______期。（2）大量合成细胞分裂所需的酶和ATP的时期在_______期，若扩大再生产选取菌种最好在________期，该期细菌的增长呈________型增长。（3）从BC段进入CD段的原因有________、________、________等。发酵工业为了获得较多的代谢产品，需延长_______期，此时除了要适当补充营养物质外，还应严格控制的条件有________、________、________等。（4）若在培养中灭菌不严格混入了青霉菌，那么初期出现的生态学现象是_________，一段时间后发现细菌________，原因是________。（5）从生存斗争的角度考虑，种内斗争最激烈的是________期，形成这一态势的主要生态因素是_________________。显示答案（1）延迟对数稳定衰亡（2）延迟对数J（3）营养物质消耗、有害物质积累、pH变化稳定温度、pH、氧气（4）竞争全部死亡青霉菌代谢产生了青霉素，杀死了细菌（5）稳定生存空间有限、pH变化、温度升高、溶解氧减少等-END-课外拓展选用菌种技术主要包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程等。下面着重介绍自然选育和诱变育种。1、自然选育在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变，从而选育出优良菌种的过程，叫做自然选育。菌种的自发突变往往存在两种可能性：一种是菌种衰退，生产性能下降；另一种是代谢更加旺盛，生产性能提高。具有实践经验和善于观察的工作人员，就能利用自发突变而出现的菌种性状的变化，选育出优良菌种。例如，在谷氨酸发酵过程中，人们从被噬菌体污染的发酵液中分离出了抗噬菌体的菌种。又如，在抗生素发酵生产中，从某一批次高产的发酵液取样进行分离，往往能够得到较稳定的高产菌株。但自发突变的频率较低，出现优良性状的可能较小，需坚持相当长的时间才能收到效果。2、诱变育种诱变育种是指用人工的方法处理微生物，使它们发生突变，再从中筛选出符合要求的突变菌株，供生产和科学实验用。诱变育种与其他育种方法相比，具有操作简便、速度快和收效大的优点，至今仍是一种重要的、广泛应用的微生物育种方法。诱变育种包括诱变菌种选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。-END-高考解析例1、（江苏，23）下列有关谷氨酸棒状杆菌的生长和谷氨酸发酵的叙述，错误的是（）A．组成酶是维持菌体基本生活的必要条件B．菌体能合成各种生长因子，不需要从外界补充C．发酵液pH呈酸性时，就会生成乙酰谷氨酰胺D．细胞膜透性的改变，可解除代谢产物对有关酶活性的抑制解析：生物体内的化学反应都需要酶的催化。组成酶是维持菌体基本生活的必要条件。谷氨酸棒状杆菌发酵过程中，需要不断地补充生长因子。当pH呈酸性时，会产生乙酰谷氨酰胺；当溶氧不足时，生成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸，细胞膜透性改变可解除代谢产物对有关酶活性的抑制。考查谷氨酸棒状杆菌的生长及谷氨酸发酵的问题，能力要求C。答案：B例2、（广东，24）在利用谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸的过程中，下列叙述正确的是（）①各个生长时期的长短是固定的，无法人为缩短生长周期②对数期是采样留种的最佳时期③在稳定期补充营养物质可以提高产量④延迟期是收获代谢产物的最佳时期A．①②B．①④C．②③D．③④解析：微生物生长曲线中的延迟期，是微生物对新环境的调整或适应过程，一般不分裂繁殖；对数期进入快速分裂阶段，是采样留种的最佳时期；在稳定期补充营养可以提高产量。各个生长时期不是固定不变的，可通过人为缩短生长周期。考查微生物生长各个时期的特点，能力要求B。答案：C例3、（江苏，33）抗生素作为治疗细菌感染的药物，其高效性和巨大的经济价值使抗生素工业经久不衰。其中青霉索的发现和应用具有划时代的意义。（1）青霉菌发酵产生青霉素。青霉菌的新陈代谢类型是_______，青霉素是青霉菌的_______代谢产物。（2）在生产和科研中，常选用处于_______期的青霉菌作为菌种或研究材料，因为此时的青霉菌代谢旺盛，_______和_______比较稳定。（3）对毒霉菌菌体生长情况的测定：取一定体积的发酵液，经离心分离、反复洗涤后，_______，再计算发酵罐中菌体的总重量。解析：微生物的初级代谢产物是微生物生存繁殖所必需的，而青霉素不是青霉菌生活所必需的，所以是次级代谢产物。对数期的青霉菌代谢旺盛，形态和生理特性稳定，常作为科研材料和生产用的种子。菌体生长状况的测定常用的方法有2种：一种是测其细胞数目的多少，另一种是测重量（干重、湿重）。考查微生物发酵的有关知识，能力要求B。答案：（1）异养需氧型次级（2）对数个体的形态生理特性（3）称菌体的湿重（称烘干后的重量）-END-