第七单元第46讲生物的生殖和发育

1第46讲发酵工程简介走进高考第一关：教材关合作梳理知识体系发酵工程简介概念：采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用产品或直接把微生物应用于工业生产过程的新技术实例——谷氨酸发酵（菌种：③______）培养基物理状态：①___________原料：②___________发酵过程：采用④_________培养法控制条件：⑤___________、⑥______________等内容菌种选育（常用的方法是⑦___、⑧___________、⑨___________）↓培养基的配制（依据的原则有：⑩________、___________、___________）↓灭菌↓灭菌是指：(13)_______通常需对(14)_________等灭菌扩大培养和接种↓发酵过程↓(15)_________基本方法提取代谢产物的方法：(16)_______获得菌体本身的方法：___自我校对：①液体状态②豆饼（或马铃薯等）的水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等③谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌④连续⑤温度⑥pH⑦诱变育种⑧基因工程⑨细胞工程⑩目的要明确营养要协调pH要适宜杀死一定环境中所有微生物的细胞、芽孢和孢子培养基、发酵设备分离提纯蒸馏、萃取、离子交换等过滤、沉淀等解读高考第二关：考点关考点1应用发酵工程的生产实例-谷氨酸发酵谷氨酸发酵菌种：谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌都是异养需氧型微生物培养基：液体天然培养基。由豆饼（或马铃薯）水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素组成培养方式：连续培养培养条件控制：温度、pH、通气量、搅拌速度提取：用Na2CO3中和后，过滤、浓缩、离心分离而成特别提醒：（1）发酵过程中热量的来源与散失①热量来源：搅拌器搅拌产热，微生物代谢产热。②热量散失：发酵罐壁散热，冷却水散热。（2）搅拌器的作用①能增加培养液中的溶解氧。②能促使培养液与菌种充分接触，提高原料的利用率。2③例析1-1在细菌的连续培养过程中，要以一定速度不断添加新的培养基，同时以同样速度放出老的培养基。下图表示培养基的稀释率（培养基的更新速率）与培养容器中营养物质浓度、细菌代时（细菌数目增加一倍所需的时间）、细菌密度的关系。下列相关叙述不正确的是（）A.在稀释率很低的情况下，稀释率的增加会导致细菌密度增加B.稀释率从a到b的变化过程中，细菌生长速率不断提高C.稀释率超过b点后，营养物质浓度过高导致细菌死亡率增大，细菌密度降低D.为持续高效地获得发酵产品，应将稀释率控制在b点附近解析：根据题意稀释率代表培养基的更新速率，生产中若培养基更新过快，由于细菌需要对新营养环境的适应（调整期），使细菌的繁殖速率下降，细菌密度下降。根据曲线当稀释率低于a时，细菌密度随稀释率的增大而增大，即稀释率很低时，稀释率的增加会导致细菌密度增加。在稀释率从a到b的变化过程中细菌的代时缩小，即表明细菌生长速率加快。从曲线来看，当培养基稀释率高于b后，培养液中细菌密度将会减小，因而会影响到细菌代谢产物的生成。因此生产上为持续高效地获得发酵产品，应将稀释率控制在b点附近，这样能够保证生物数量最大、产物最多。答案：C点评：正确理解细菌代时、细菌密度与细菌种群数量的关系，以及种群数量与代谢产物产量的关系是命题者的主要考查目的。例析1-2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.溶氧充足时，发酵液中有乳酸的累积3B.发酵液中碳源和氮源比例的变化不影响谷氨酸的产量C.菌体中谷氨酸的排出，有利于谷氨酸的合成和产量的提高D．发酵液pH呈碱性时，有利于谷氨酸棒状杆菌生成乙酰谷氨酰胺解析：①在微生物发酵过程中，发酵的条件(如培养基组分、产物浓度、温度、pH、溶氧量、通气量等)的变化不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌种代谢产物的合成。如谷氨酸发酵生产过程中，当发酵液pH呈酸性时，谷氨酸棒状杆菌就会生成乙酰谷氨酰胺；当溶氧不足时，生成的代谢产物就会是乳酸(无氧呼吸产物)或琥珀酸；当培养基中C源与N源比为4：1时，谷氨酸棒状杆菌因大量繁殖而生成谷氨酸较少；当C源与N源比为3：1时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸的合成量大增。②谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的过程受到酶活性的调节，当细胞内谷氨酸积累时，会抑制谷氨酸脱氢酶的活性从而影响谷氨酸的合成，因此，在生产过程中可以采取一定手段改变细胞膜的透性，使谷氨酸能迅速排出细胞外，从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶活性的抑制作用，提高谷氨酸产量。答案：C点评：这是一道以谷氨酸生产为线索的有关微生物代谢、营养、代谢的人工控制等方面的综合题。解此题的启示是：在复习中应尽量对关联知识进行归纳总结，形成清晰的知识网络。互动探究1-1有关谷氨酸发酵的叙述中正确的是（）A.发酵过程中要不断通入空气B.培养条件不当将不能得到产品C.搅拌的唯一目的是使空气成为小气泡D.冷却水可使酶活性下降解析：进行谷氨酸发酵的菌种是异养需氧型微生物，所以要在培养过程中不断通进空气，但是必须是无菌空气。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，提高原料利用率。在培养过程中，由于微生物的代谢产热和机械摩擦生热，会使培养基的温度升高，高到一定程度，就会使酶的结构和核酸的结构遭到破坏，培养因此受到影响。降低温度，保证酶正常活性，而不会使酶的活性下降。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，溶氧低时将得到乳酸或琥珀酸。答案：B互动探究1-2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.溶氧数量解析：谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，发酵过程中的搅拌能使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中（称溶氧），以确保产物为谷氨酸。答案：D考点2发酵工程的内容一、菌种的选育1.原因：自然菌种产量一般都比较低，不能满足工业上的需要，因此要获得能在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，必需要进行菌种选育。二、培养基的配制根据不同菌种，选择不同材料配制遵循配制原则营养要协调，以利于产物的合成既要满足需要，又要降低成本4在生产实践中，培养基的配方要经过反复试验才能确定。三、灭菌1.对象：杀灭所有微生物的菌体、芽孢、孢子。2.设备：培养基和发酵装置都要灭菌，通入的空气、加入培养基的所有物质也要灭菌。3.方法：高温蒸气、火焰灼烧、酒精灭菌等。4.原因：防止杂菌与发酵菌种形成竞争关系，影响发酵产品。四、扩大培养和接种1.扩大培养：就是将培养到对数期的菌体分开分别培养，促进菌体快速繁殖，短时间得到大量菌体。2.接种：要特别注意防止杂菌污染。五、发酵过程1.随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度等，从而了解发酵进程。2.及时添加必需的培养基成分，以满足菌体的营养需要。3.严格控制发酵条件温度变化原因氧化分解机械搅拌产热t℃散热发酵罐壁散热水分蒸发冷却水控制方法：温度自动测试、控制装置、检测调整调节原因：温度会影响微生物代谢pH变化原因氮源利用放出NH3上升pH下降糖类利用产生有机酸控制方法：加酸或碱，也可添加pH缓冲液调节原因：影响代谢产物的种类5例：谷氨酸发酵时，pH为酸性，谷氨酸棒状杆菌就会生成乙酰谷氨酰胺溶解氧减少原因：好氧细菌氧化分解补充方法：通入无菌空气补充原因：影响代谢产物种类例：谷氨酸生产时，若溶解氧不足时，生成的代谢产物是乳酸或琥珀酸六、分离提纯产品代谢产物：采用蒸馏、萃取、离子交换方式提取菌体本身：过滤、沉淀特别提醒：关于发酵工程中注意的几个问题（1）外界因素对发酵的影响氧、温度、pH和磷酸盐对谷氨酸发酵过程的影响。谷氨酸生产所用菌种是好氧菌，通风和搅拌不仅会影响对氮源和碳源的利用率，而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量，尤其是发酵后期，加大通气量有利于谷氨酸的合成。当菌体生长到稳定期，适当提高温度有利于生产谷氨酸。在发酵过程中，随着营养物质的利用，代谢产物的积累，培养液的pH会不断变化分别随着氮源的利用，放出氨，pH会上升；当糖被利用生成有机酸，pH会下降。磷酸盐是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。发酵结束后，常用离子交换树脂法等进行提取。（2）单细胞蛋白单细胞蛋白指菌体本身，而非某种蛋白质。用做饲料或食品添加剂。（3）发酵和发酵工程发酵是个过程，是通过微生物培养，大量生产各种代谢产物的过程。发酵工程是一种生物工程技术，采用现代工程技术手段，人工控制发酵条件，进行大规模地发酵生产，所以发酵工程是应用于发酵过程中的一种生物技术。例析2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，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（）新菌种。（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。解析：①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。②黄色短杆菌能利用天冬氨酸合成赖氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸和谷氨酸等，生产中为获得大量的高产菌种，科学家对黄色短杆菌进行诱变处理，选育出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的6菌种，从而达到大量积累赖氨酸的目的。③人们根据微生物生长曲线，确定微生物在进入稳定期后，代谢产物逐渐积累，因此适当补充营养物质，有助于延长稳定期，提高代谢产物的产量，为此人们探索出连续培养的方法，即以一定的速度不断地添加新的培养基，同时以同样的速度不断地放出老的培养基，以保证微生物对营养物质的需要，并排出部分有害的代谢产物，使微生物保持较长时间的高速生长。④黄色短杆菌属于好氧菌，因此，发酵过程中应注意不断通入无菌空气。⑤发酵工程产品有两类：一类是代谢产物，另一类是菌体本身(如酵母菌和细菌、单细胞蛋白)。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。如果是菌体，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来。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）点评：本题以谷氨酸或赖氨酸发酵为线索，考查相关的基础知识。值得一提的是考查知识出自教材，但分布于不同的章节中，这就提醒考生在复习过程中，一定要学会将相关知识进行串联复习。互动探究2下图为谷氨酸发酵装置图。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（）。解析：在利用发酵罐进行发酵的过程中，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，而降低谷氨酸产量，采取了水在发酵罐表层中流动而降温的措施。由于谷氨酸显酸性，随着它的积累pH变化趋势会下降，控制办法是加碱（或氨水），以保持pH的相对稳定。发酵过程中若谷氨酸积累过量，会抑制谷氨酸脱氢酶的活性，导致合成途径中断，这种代谢调节方式称为酶活性的调节方式。如果在4处通入空气而不是无菌空气，谷氨酸产量会下降，原因是混入杂菌产生竞争，分解或吸收谷氨酸。答案：（1）冷却（降温或使温度控制在30～37℃）（2）谷氨酸脱氢酶酶活性（反馈、负反馈）（3）下降混入杂菌产生竞争，分解或吸收谷氨酸点评：本题考查了微生物代谢的调节、发酵工程及相关知识，学生能理解以上知识，就能结合题干写出正确答案。7笑对高考第三关：技巧关微生物工程技术的发展微生物工程在基因工程、细胞工程、蛋白质工程等现代生物技术的支持下，可以生产众多的产品，应用的范围进一步扩大，已经深入到工农业生产、医疗保健、环境保护、甚