微生物与发酵工程-第十章 发酵机制
发酵工程章节复习资料
发酵⼯程章节复习资料第⼀章绪论1、发酵及发酵⼯程的概念1、传统发酵最初发酵是⽤来描述酵母菌作⽤于果汁或麦芽汁产⽣⽓泡的现象，或者是指酒的⽣产过程。
2、⽣化和⽣理学意义的发酵指微⽣物在⽆氧条件下，分解各种有机物质产⽣能量的⼀种⽅式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电⼦受体的氧化还原产能反应。
如葡萄糖在⽆氧条件下被微⽣物利⽤产⽣酒精并放出CO2。
3、⼯业上的发酵泛指利⽤微⽣物制造或⽣产某些产品的过程包括：1. 厌氧培养的⽣产过程，如酒精，乳酸等。
2. 通⽓（有氧）培养的⽣产过程，如抗⽣素、氨基酸、酶制剂等。
产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
发酵⼯程（Fermentation Biotechnology）: 应⽤微⽣物学等相关的⾃然科学以及⼯程学原理，利⽤微⽣物等⽣物细胞进⾏酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的⼀门科学。
2、发酵⼯程技术的发展⼤致可分为哪⼏个阶段，每段的技术特点是什么？1. ⾃然发酵时期:嫌⽓性发酵⽤于酒类酿造，好⽓性发酵⽤于酿醋、制曲。
2. 纯培养技术的建⽴：⼈⼯控制环境条件使发酵效率迅速提⾼。
3.通⽓搅拌好⽓发酵过程技术的建⽴：从分解代谢转为⽣物合成代谢，可以利⽤微⽣物合成积累⼤量有⽤的代谢产物。
4.⼈⼯诱变育种与代谢控制发酵⼯程技术的建⽴：遗传⽔平上控制微⽣物代谢。
5. 发酵动⼒学、发酵⼯程连续化、⾃动化⼯程：以数学、动⼒学、化⼯原理等为基础，通过计算机实现发酵过程的⾃动化控制的研究，使发酵过程的⼯艺控制更为合理。
6. 微⽣物酶反应⽣物合成与化学合成反应结合⼯程技术：可⽣产许多过去不能⽣产的有⽤物质。
3、发酵⼯业的应⽤范围1. 酿酒⼯业（啤酒、葡萄酒、⽩酒）2. ⾷品⼯业（酱、酱油、⾷醋、腐乳、⾯包、乳酸）3. 抗⽣素⼯业（青霉素、链霉素、⼟霉素）4. 有机酸⼯业（柠檬酸、葡萄糖酸）5. 酶制剂⼯业（淀粉酶、蛋⽩酶）6. 氨基酸⼯业（⾕氨酸、赖氨酸）7. 核苷酸发酵⼯业(肌苷酸、肌苷)8. 有机溶剂⼯业（酒精、丙酮）9. 维⽣素⼯业(VB2、VB12)10.⽣物能源⼯业（沼⽓、⽣物柴油）11.环境保护产业（废⽔⽣物处理）12.⽣理活性物质发酵⼯业（激素）13. 冶⾦⼯业(微⽣物探矿、⽯油脱硫)14.微⽣物菌体蛋⽩发酵⼯业（酵母、单细胞蛋⽩）4、发酵⼯业的特点与化学⼯程相⽐，发酵⼯程具有以下特点：1、发酵过程是极其复杂的⽣物化学反应，与微⽣物细胞息息相关2、通常在常温常压下进⾏，反应安全，需求条件也⽐较简单3、发酵醪（包括固相、液相、⽓相，还含有活细胞体或菌丝体），属⾮⽜顿流体，其特性影响因素很多，对发酵⼯程都有关联4、具有严格的灭菌系统，以防⽌杂菌污染如空⽓除菌系统、培养基灭菌系统、设备的冲洗灭菌等5、反应以⽣命体的⾃动调节⽅式进⾏，因此数⼗个反应过程能够像单⼀反应⼀样，在同⼀发酵罐内进⾏6、后处理阶段，为了适应菌体与发酵产物的特点，需采取⼀些特殊的⼯艺措施并选⽤合适的设备。
10. 发酵机制
制
乙酰CoA
[H]
线
粒
TCA循环
体
CO2
O2
H2O
厌氧发酵机制
厌氧发酵
厌氧或兼性厌氧菌
基质H2
脱氢酶
+ 2[H]
辅酶
氧以外 物质
受H体
产物
乙醇、丙酮、 丁醇、乳酸、 丁酸等。
C6H12O6(葡萄糖）
糖
细
厌
酵
2ATP
胞
氧
解
4[H]
基
发
质
酵
2C3H4O3(丙酮酸）
机
酵母菌
CO2 乙醛
[H] 乙醇
制
乳酸菌
生物工艺学发酵机制指微生物在一定条件下分解各种有机物质产生能量的一种方式或者更严格地说发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应
课程名称:生物工艺学
发酵机制
发酵定义
指微生物在一定条件下 ，分解各种有机物质产 生能量的一种方式，或 者更严格地说，发酵是 以有机物作为电子受体 的氧化还原产能反应。
[H]
乳酸
梭状芽胞杆菌
CO2 乙酰CoA
丙酮 丁醇
思考题：
l1.好氧发酵与厌氧发酵酶系区别？ l2.好氧发酵与酵 厌氧发酵
如葡萄糖在无氧条件下被微生 物利用产生酒精并放出CO2。
需氧发酵机制
需氧发酵
好氧菌
具完善呼吸酶系统
基质H2
脱氢酶
基质
2[H] +
氧化酶
2e
产物
抗生素 氨基酸。
电子
O2
受体
H2O
C6H12O6(葡萄糖）
需
糖
氧
酵
2ATP
发酵工程教案(打印
发酵工程教案（打印）第一章：发酵工程的概述1.1 发酵的定义和意义1.2 发酵工程的起源和发展1.3 发酵工程的研究内容和应用领域第二章：发酵过程的基本原理2.1 微生物的生长与代谢2.2 发酵条件的控制2.3 发酵过程中的物质变化第三章：发酵设备及其设计3.1 发酵罐的设计与选择3.2 发酵过程的自动化控制3.3 发酵设备的清洗与消毒第四章：发酵条件的优化与控制4.1 发酵条件的优化方法4.2 发酵过程的监控与控制4.3 发酵过程中的问题与解决方法第五章：发酵工程的应用实例5.1 微生物肥料的生产与应用5.2 生物农药的发酵生产5.3 食品工业中的发酵应用第六章：发酵工程在药品生产中的应用6.1 抗生素的发酵生产6.2 维生素的发酵生产6.3 重组蛋白的发酵生产第七章：生物化工领域的发酵工程7.1 氨基酸的发酵生产7.2 有机酸的发酵生产7.3 生物酶的发酵生产第八章：发酵工程在环保领域的应用8.1 生物滤池技术8.2 生物脱硫技术8.3 生物降解技术第九章：发酵工程的产业化与发展9.1 发酵工程的产业化流程9.2 发酵工程的技术创新与挑战9.3 我国发酵工程产业的发展现状与趋势第十章：发酵工程的可持续发展10.1 发酵工程与资源利用10.2 发酵工程与环境保护10.3 发酵工程的循环经济模式第十一章：发酵工程在生物制药中的应用11.1 重组蛋白药物的发酵生产11.2 疫苗的发酵生产11.3 基因治疗的发酵工程应用第十二章：发酵工程技术在农业中的应用12.1 微生物肥料的发酵生产12.2 生物农药的发酵生产12.3 动物疫苗和生物兽药的发酵生产第十三章：发酵工程在生物能源中的应用13.1 燃料酒精的发酵生产13.2 生物柴油的发酵生产13.3 生物气体的发酵生产第十四章：发酵工程在生物材料中的应用14.1 发酵生产生物塑料14.2 发酵生产生物纤维14.3 发酵生产生物复合材料第十五章：发酵工程的案例分析与实践操作15.1 发酵工程案例分析15.2 发酵工程的实践操作技巧15.3 发酵工程的实验设计与数据分析重点和难点解析本文教案涵盖了发酵工程的概述、基本原理、设备设计、条件优化与控制、应用实例、药品生产、生物化工、环保领域应用、产业化发展、技术创新、可持续发展以及案例分析和实践操作等多个方面。
名词解释1
名词解释：发酵：无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力[H]直接交给某一内源性中间代谢产物，以实现底物水平磷酸化的一类低效产能生物氧化反应称为发酵。
单菌发酵: 现代发酵工业中最常见，传统发酵工业中很难实现。
混合菌发酵: 自然发酵和人工接种发酵液态发酵: 发酵基质呈流动状态的，如啤酒发酵、柠檬酸发酵等。
固态发酵: 发酵基质呈不流动状态。
如固态酱油发酵、米醋发酵、大曲酒（白酒）发酵等。
半固态发酵: 发酵基质呈半流动状态，如黄酒发酵、传统稀醪酱油发酵等。
淀粉水解糖：在工业生产上将淀粉水解为以葡萄糖为主的水解液的过程称为淀粉水解糖的制备，制得的水解液称为淀粉水解糖。
液化：利用a-淀粉酶将淀粉液化转化为糊精及低聚糖，使淀粉的可溶性增加的过程；糖化：利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解，转变为葡萄糖的过程（狭义）。
糖蜜预处理：糖蜜是甘蔗或甜菜制糖的副产物。
发酵前对糖蜜进行稀释、酸化、灭菌及澄清等过程称为糖蜜前处理。
发酵机制：指微生物通过其代谢活动，利用基质合成人们所需要的产物的内在规律。
代谢控制发酵：人为地改变微生物的代谢调控机制，使有用中间代谢产物过量积累，这种发酵称为代谢控制发酵。
巴斯德效应：在好气条件下，酵母发酵能力降低的规律称为巴斯德效应。
其现象是乙醇的积累减少，实质是细胞内糖代谢降低。
鲜啤酒：未经巴氏灭菌或超滤即出售。
新鲜、爽口，保质期短生啤酒：未经巴氏灭菌，但经超滤等无菌过滤后出售。
新鲜、爽口，保质期较短。
熟啤酒：经巴氏灭菌后出售。
苦味增加，有熟味，保质期长。
前体物质：在有些氨基酸、核苷酸、抗生素等发酵中添加一些特殊物质能获得较高的产率，它们在发酵中主要起避免反馈抑制、作为产物的前身等作用，这些特殊物质称为前体物质。
促进剂：在氨基酸、抗生素和酶制剂发酵过程中，可以在发酵培养基中加进某些对发酵起一定促进作用的物质，称为促进剂。
染菌：“杂菌污染”，是指在发酵培养中侵入了除菌种外，有碍生产的其他微生物。
总染菌率：发酵的总染菌率指一年内发酵罐中染菌的批数与总投料批数之比。
发酵机制及发酵动力学
抑制
抑制
D
E
Y
E3
E1
A
B
C
E2
E4 F
G
Z
抑制
抑制
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末端产物Y和Z单独过量，对途径中第一个酶E1无抑制作用，只有Y 和Z同时过量，才能对E1具有抑制作用。另两个控制点的酶E2和 E3分别被Y和Z所抑制。
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二、微生物代谢调控机制
微生物在正常情况下，通过细胞内的自我调节，维持各个代谢途径的相互 协调，使其代谢产物既不缺少又不会过多的积累。而人类利用微生物进行发酵则需 要微生物积累较多的代谢产物，因此对微生物的代谢必须进行人工控制。
一、积累代谢产物的有效措施 （一）反馈抑制作用的解除：实质是使代谢途径中的关键酶（别构酶）的调
催化谷氨酸的分解
第7页，此课件共78页哦
（二）代谢流向的调控
2、由两种酶控制的逆单向反应
在生物体代谢的关键部位的某些反应，是由两种不同的酶来 催化的。即在一个“可逆”反应中，其中一个酶催化正反应 ，另一种酶则催化逆反应。
如： 葡萄糖+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
3、产物降解酶缺失突变株
4、细胞膜组分的缺失突变
1、代谢缺陷型菌株
直线型合成途径中的营养缺陷型突变株，这类菌株不能积累 末端产物，只能积累中间产物；
在分支代谢途径中，可利用营养缺陷型来合成某种末端产物 。
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2、抗代谢类似物的突变菌株
菌体通常需要各种代谢物如维生素、氨基酸等合成菌体需要 的成分，如果有与代谢物结构相似的物质（即抗代谢物）存在
名词解释
名词解释：淀粉水解糖：在工业生产上将淀粉水解为以葡萄糖为主的水解液的过程称为淀粉水解糖的制备，制得的水解液称为淀粉水解糖。
液化：利用a-淀粉酶将淀粉液化转化为糊精及低聚糖，使淀粉的可溶性增加的过程；糖化：利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解，转变为葡萄糖的过程（狭义）糖蜜预处理：糖蜜是甘蔗或甜菜制糖的副产物。
发酵前对糖蜜进行稀释、酸化、灭菌及澄清等过程称为糖蜜前处理。
发酵机制：指微生物通过其代谢活动，利用基质合成人们所需要的产物的内在规律。
代谢控制发酵：人为地改变微生物的代谢调控机制，使有用中间代谢产物过量积累，这种发酵称为代谢控制发酵。
巴斯德效应：在好气条件下，酵母发酵能力降低的规律称为巴斯德效应。
其现象是乙醇的积累减少，实质是细胞内糖代谢降低。
鲜啤酒：未经巴氏灭菌或超滤即出售。
新鲜、爽口，保质期短生啤酒：未经巴氏灭菌，但经超滤等无菌过滤后出售。
新鲜、爽口，保质期较短。
熟啤酒：经巴氏灭菌后出售。
苦味增加，有熟味，保质期长。
简答：发酵流程:比拟放大的基本过程:普遍:小型实验－中间规模试验(中试)－大型规模生产(工业化生产)发酵工程：斜面菌种－摇瓶试验(培养基、温度、起始pH值、需氧量、发酵时间)－小型发酵罐－中试－大规模工业生产发酵工程的发展经历了哪几个阶段：1、自然发酵时期2、纯培养技术建立(第一个转折期)3、通气搅拌的好气性发酵工程技术建立（第二个转折期）4、人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术建立(第三个转折期)5、发酵动力学、连续化、自动化工程技术的建立(第四个转折期)6、生物合成和化学合成相结合工程技术建立(第五个转折期)微生物工业发展趋势：1、几个转变：分解代谢→合成代谢；自然发酵→人工控制的突变型发酵→代谢控制发酵→通过遗传因子的人工支配建立的发酵2、化学合成与生物合成相结合3、大型、连续化、自动化发酵：发酵罐的容量可达500t，常用的也达20-30t。
4、人工诱变育种和代谢控制发酵：微生物潜力进一步挖掘，新菌株、新产品层出不穷。
《微生物发酵机理》课件
新型发酵工艺的开发
总结词
新型发酵工艺的开发是提高微生物发酵效率 和产物质量的关键手段，有助于降低生产成 本，实现可持续发展。
详细描述
随着生物技术的不断进步，新型发酵工艺如 固定化细胞技术、连续发酵技术、高密度发 酵技术等得到了广泛应用。这些新型发酵工 艺能够提高发酵效率、优化产物质量、降低 生产成本，为微生物发酵工业的可持续发展 提供了有力支持。
氨基酸代谢
氨基酸在微生物细胞内经过一系 列的生化反应，最终生成CO2、 NH3等产物的过程。
核苷酸代谢
核苷酸在微生物细胞内经过一系 列的生化反应，最终生成水、氨 、磷酸等产物的过程。
03
微生物发酵过程控制
温度对微生物发酵的影响
温度对微生物发酵的影响是多方面的。在低温条件下，微生物的生长速率降低， 发酵过程变得缓慢；而在高温条件下，微生物细胞可能会受到损伤，导致发酵过 程受阻。因此，选择适宜的温度范围是微生物发酵过程控制的关键之一。
在适宜的温度范围内，温度的升高可以促进微生物的生长和代谢活动，提高发酵 效率。但温度过高可能会导致微生物细胞内的酶失活或细胞死亡，从而影响发酵 过程。因此，需要对温度进行精确控制，以获得最佳的发酵效果。
pH对微生物发酵的影响
pH是影响微生物发酵的重要因素之一。不同的微生物对pH 的要求不同，因此需要了解和控制发酵液的pH值，以满足微 生物的生长和代谢需求。
产物。
微生物发酵的应用
食品工业
用于生产面包、酒类、醋酸、 酸奶等食品。
医药工业
用于生产抗生素、维生素、酶 制剂等生物制品。
农业
用于提高土壤肥力、生物除虫 等。
环境治理
用于废水处理、土壤改良等环 境保护领域。
02
微生物工程第十章发酵过程中制
微生物工程第十章发酵过程中制
3、影响菌的呼吸
如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸， 气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进 行交换，这样就影响了菌的呼吸。
微生物工程第十章发酵过程中制
4、发酵过程泡沫产生的原因
（1）通气搅拌的强烈程度 通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此 在发酵前期由于培养基营养成分消耗少， 培养基成分丰富，易起泡。应先开小通 气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。 也可在基础料中加入消泡剂。
微生物工程第十章发酵过程中制
Hale Waihona Puke （2）培养基配比与原料组成 培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而 持久，前期难开搅拌。 例：在50L罐中投料10L，成分为淀粉水 解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900 rpm，通气，泡沫生成量为培养基的2倍。 如培养基适当稀一些，接种量大一些，生 长速度快些，前期就容易开搅拌。
微生物工程第十章发酵过程中制
第一种情况 表面活性剂的亲水基留在水 相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层 第二种情况 表面活性剂的疏水基在水相 中互相靠在一起，减少疏水基与水的接触， 形成“胶束”。
胶束
定向吸附层
微生物工程第十章发酵过程中制
溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶 束浓度时，以第一种情况为主；表面活 性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二 种情况。在泡沫不断增加时，表面活性 剂会从胶束中不断转移到新产生的气液 界面上
1、气泡间液膜的性质
泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜 相隔，研究液膜的性质很有代表意义，又因 为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成 稳定的泡沫，所以应当首先研究表面活性剂 与液膜的关系
微生物发酵机制
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4
5－磷酸木酮糖
7. 乙醛脱氢酶 8. 醇脱氢酶
5
3－磷酸甘油醛 NAD
NADH＋H＋
ADP ATP NADH＋H＋
NAD
乳酸
6－磷酸葡萄糖酸生成乳酸和乙醇
通过该途径，1mol的G产生1mol 的乳酸，乳酸对糖的理论转化率是50%。 另外有比例较高的乙醇、乙酸和二氧化 碳等。 肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）及葡聚糖明串珠菌 （Leuconostoc dextranicum）通 过该途径进行异型乳酸发酵。
1.2 酒精发酵中副产物的形成
主产物（product） ：乙醇（alcohol）
副产物（by product ）： 40多种 二氧化碳（carbon dioxide） 甘油（glycerol） 乙醛（acetaldehyde） 琥珀酸（ succinic acid ） 乙酸（acetic acid） 酯（ester） 高级醇（higher alcohol） 双乙酰（diacetyl）
1.2.1 杂醇油的生成 杂醇油是碳原子数大于2的脂肪族醇类 的统称，主要由正丙醇、异丁醇、 异戊醇 和活性戊醇组成，这些高级醇是构成酒类 风味的重要组成成分之一，当其过量时会 影响产品质量，是酒类产品中质量指标之 一，应予以控制。 1.2.1.1酒精发酵中高级醇的形成途径 a.氨基酸氧化脱氨作用 b．由葡萄糖直接生成
酒精发酵中高级醇形成的途径 （1）氨基酸氧化脱氨作用
亮氨酸
＋ 转氨酶 ɑ－酮戊二酸 ɑ－酮异己酸
+
谷氨酸
醇脱氢酶 异戊酸
异戊醇
缬氨酸 酪氨酸
异丁醇 酪醇
异亮氨酸 苯丙氨酸
发酵工程原理与技术课件
•发酵工程原理与技术
•44
特殊变异菌的筛选方法
营养缺陷型突变株 抗阻遏和抗反馈突变型 组成型突变株 抗（敏感）性突变株
•发酵工程原理与技术
•47
高丝氨酸缺陷菌生产赖氨酸
必需氨基酸 食品、医药、畜牧业需要量很大 但在代谢过程中，一方面赖氨酸对天冬氨酸激酶有反馈抑制， 另一方面还同时生成苏氨酸和甲硫氨酸，使赖氨酸不能在细 胞内累积 高丝氨酸缺陷菌（不能合成高丝氨酸脱氢酶，补充适量高丝 氨酸）则合成大量赖氨酸
2
3
2
1
3 2
对照(HC0 =HC1+ HC2 + HC3) 诱变
3
•发酵工程原理与技术
( HC1＞ HC0 能力增强)
( HC2＜ HC0 能力减弱) ( HC3= HC0 能力不变)•42
•发酵工程原理与技术
•43
诱变后的突变株会继续变异，低单位菌株在传代过程 中往往占优势，因此复筛中常常出现产量高低不稳的状态， 必须进行自然分离—诱变育种和杂交育种必须环节。
•发酵工程原理与技术
•21
自然选育
自然选育：利用菌种自然突变(Spontaneous Mutation)进 行菌种筛选的过程。 自然突变：微生物在没有人工参与下所发生的突变。 引起自然突变两个原因：多因素低剂量的诱变效应和互变 异构效应。
•发酵工程原理与技术
前进
•22
自然突变
多因素低剂量诱变效应：自然突变实质上是由一些原 因不详的低剂量诱变因素引起的长期综合效应，如宇宙 空间各种短波辐射、自然界中普遍存在的一些低浓度诱 变物质以及微生物自身代谢活动中所产生的一些诱变物 质(如H2O2)的作用等。
第十章 固态发酵原理与技术【发酵工程】
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3、固态发酵中培养基提供的与气体的接触面积要比液体深 层发酵中与气泡的接触面积大得多，供氧更充足，同时， 空气通过固体层得阻力较小，能量消耗低。
4、使用固体原料，在发酵过程中，糖化和发酵过程同时进 行，简化操作工序，节约能耗。
是指在自然富集固态发酵的基础上，根据人们部分掌握的 微生物代谢机制，强化接种微生物菌系不明确的富集培养 物或特定微生物培养物所进行的混合发酵。
例如沼气发酵、白酒发酵及废物发酵降解处理等。
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3、限定微生物混合固态发酵
是在对微生物相互作用和群落认识的基础上，接种混合培 养的微生物是已知和确定的，通常使用两种或两种以上经 过分离纯化的微生物纯种，同时或先后接种在灭菌的培养 基中，在无污染条件下进行的固态发酵过程。
5、高底物浓度可以产生高的产物浓度。
6、由于产物浓度高，提取工艺简单可控，没有大量有机废 液产生，但提取物含有底物成分。
7、生产机械化程度较低，缺乏在线传感仪器，过程控制较
困难。
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三、固态发酵的分类 1、自然富集固态发酵 2、强化微生物混合固态发酵 3、限定微生物混合固态发酵 4、单菌固态纯种发酵
塔 柱 式
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浅盘式
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1－浅盘室； 2－水阀门； 3－紫外灯管； 4，8，13－空气阀 门； 5，11－空气过滤器； 6－排气口； 7－加湿器； 9－加热器； 10－空气循环； 12－进气口； 14－浅盘； 15－浅盘架
发酵工程-名词解释
学习好资料欢迎下载C初级代谢产物：微生物合成在它们生长和繁殖过程中所必须的物质（如糖、氨基酸、脂肪、核苷酸及其聚合物）的过程；所合成的物质称为初级代谢产物。
次级代谢产物：微生物在生长和繁殖过程中合成对微生物的生长、繁殖无关或功能不明确的化合物的过程；这些化合物称为次级代谢产物。
F发酵：任何通过扩大规模培养生物细胞（含动、植物细胞和微生物细胞）来生产产品的过程。
发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质合成人们所需要的产物的内在规律。
分批培养：在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行培养的方法。
发酵动力学：研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的科学。
H呼吸强度：指单位质量干菌株在单位时间内的吸氧量。
耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量。
J静置培养法：又称厌气培养，即将培养基盛于发酵罐中，在接种后，不通空气进行培养。
绝对过滤：是介质之间的空隙小于被滤除的微生物，当空气流过介质后，空气中的微生物被滤除的过滤方式。
L连续培养：又称连续发酵，是指以一定速度向发发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。
M灭菌：用物理或化学的方法杀死物料或设备中所有有生命的有机体的技术或工艺过程；它既能杀死营养细胞又能杀死细菌芽孢。
P培养基：微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的、多种营养物质的混合物。
Q前体：产物的生物合成过程中，被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著变化的物质。
T通气培养法：又称好气性发酵，这种发酵在培养过程中必须通入空气，以维持一定的溶氧水平，菌体才能迅速进行生长发酵。
同功酶：能催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶。
调节组成酶：酶的合成不依赖于环境中的物质存在而存在的一类酶。
调节诱导酶：细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。
调节突变株：指菌株因外界条件影响，而产生不受终产物及其结构类似物反馈抑制或阻遏的突变株，此时终产物能够大量积累。
微生物发酵机理
2
第一节 厌氧发酵产物的合成机制
3
有氧分解（柠 檬酸、氨基酸、 抗生素等）
厌氧分解（酒 精、乳酸、丙 酮、丁醇等）
4
厌氧代谢
5
一、酒精发酵机制
酵母菌的酒精发酵 细菌的酒精发酵
6
（一）酵母菌的酒精发酵
7
酒精发酵中的副产物
杂醇油 琥珀酸 酯类 糠醛、甲醇
8
（二）细菌的酒精发酵
的终点产物抑制该过程中第一步酶的活性作用。
64
3.碳、氮及其分解代谢产物的调节
碳分解代谢产物调节：能迅速被利用的碳源或其 分解代谢产物，对其他代谢中的酶的调节。
氮分解代谢产物的调节：能迅速被利用的氮源抑
制作用于含底物酶的合成。
65
4.磷酸盐的调节
直接作用：磷酸盐自身影响抗生素合成 间接作用：磷酸盐调节细胞内其他效应剂，进而影 响抗生素的合成
DNA的调剂控制外，还受到与初级代产物合成 无关的遗传物质的控制。
61
（二）抗生素生产菌的主要代谢调节机制
微生物的代谢调节机制
酶的诱导
受DNA控制的酶合成调节机制 酶的阻遏
终点产物的阻遏
终产物的抑制或活化 分解产物的阻遏
酶活性的调节机制 利用辅酶的酶活调节
酶原的活化和潜在酶的活化
细胞通透性的调节
62
27
（三）及时补加草酰乙酸
外加草酰乙酸 选育回补途径旺盛的菌种
28
柠檬酸的积累机制归纳：
①Mn 2+ 缺乏
抑制蛋白
合成
NH4﹢
有一条呼吸活力强的不产生ATP的 侧系呼吸链
解除磷酸果糖激酶 的代谢调节，促进 EMP途径的畅通
② 由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。
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• 2、遗传代谢方面分析
初级代谢与次级代谢同样都受到核内DNA的 调节控制，而次级代谢产物还受到与初级代谢 产物生物合成无关的遗传物质的控制，即受核 内遗传物质(染色体遗传物质)和核外遗传物质 (质体)的控制。有一部分代谢产物的形成，取 决于由质体信息产生的酶所控制的代谢途径， 这类物质称为质体产物。
4．磷酸盐的调节
• 磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分， 还是调节抗生素生物合成的重要参数。其机制 按效应剂说有直接作用，即磷酸盐自身影响抗 生素合成，和间接作用，即磷酸盐调节胞内其 他效应剂(如ATP、腺苷酸能量负荷和cAMP)， 进而影响抗生素合成。
• 已发现过量磷酸盐对四环素、氨基糖苷类和多 烯大环内酯等32种抗生素的合成产生阻抑作用。
• 初级代谢产物是指微生物产生的，生长和繁殖 所必需的物质，如蛋白质、核酸等。
• 次级代谢产物是指由微生物产生的，与微生物 生长、繁殖无关的一类物质。
• 其生物合成至少有一部分是和与初级代谢产物 无关的遗传物质(包括核内和核外的遗传物质) 有关，同时也与这类遗传信息产生的酶所控制 的代谢途径有关。
• 抗生素、色素、毒素等是与初级代谢产物(如氨 基酸、核酸)相对产生的次级代谢产物。
(一)次级代谢产物及特征
• (1)次级代谢产物是由微生物产生的，不参与 微生物的生长和繁殖。
• (2)次级代谢产物的生物合成最少也要有一部 分是不参与次级代谢产物生物合成的遗传物质 (质粒plasmid)，但参与与质粒有关的代谢途径。
• 总之，微生物次级代谢，其目的产物的生物合 成途径取决于微生物的培养条件和菌种的特异 性。
(二)微生物次级代谢与初级代谢 及生物合成抗生素的关系
• 1．从菌体生化代谢方面分析 • 许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢
产物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢 产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是 独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的。 • 糖代谢中间体，既可用来合成初级代谢产物， 又可用来合成次级代谢产物，这种中间体叫做 分支中间体。
由于这类物质的形成直接或间接受质体遗传 物质的控制，因而产生了质体遗传的观点。
也有只由染色体DNA控制的抗生素产物。
抗生素产生菌的主要代谢 调节机制
• ①受DNA控制的酶合成的调节机制，包 括酶的诱导和酶的阻遏(有终点产物的阻 遏和分解产物的阻遏)。
• ②酶活性的调节机制，包括终点产物的 抑制或活化，利用辅酶的酶活调节、酶 原的活化和潜酶的活化。
• (3)它的生产大多数是基于菌种的特异性来完 成的。
•
• (4)次级代谢产物发酵经历两个阶段，即营养 增殖期和生产期。如在菌体活跃增殖阶段几乎 不产生抗生素。接种一定时间后细胞停止生长， 进入到恒定期才开始活跃地合成抗生素，称为 生产期。
• (5)一般都同时产生结构上相类似的多种副组分。 • (6)生产能力受微量金属离子(Fe2+、Fe3+、Zn2+、
• 抗生素的生产能力下降，其原因可能是参与抗 生素合成的菌种的质粒脱落之故。
• (10)次级代谢在其一个系列当中与一个酶相对 应的底物和产物也可以成为其他酶的底物。也 就是说，在代谢过程中不一定非按每个阶段正 确的顺序，一个生产物可由多种中间体和途径 来取得，因此也可通过所谓“代谢纲目”或叫 “代谢格子”这一系列途径来完成。
EMP途径
HMP途径
HMP途径在微生物生命活动中有着极其重要的意义
• （1）为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 • （2）产生大量的NADPH还原剂，它不仅为合成
脂肪酸、固醇等重要细胞物质之需，而且可通过 呼吸链产生大量能量，这些都是EMP途径和 TCA循环所无法完成的。 • （3）如果微生物对戊糖的需要超过HMP途径的正 常供应量时，可通过EMP途径与本途径在果糖-1， 6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂。
• （4）反应中的赤藓糖-4-磷酸可用于合成 芳香氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨 酸和组氨酸。
• （5）通过本途径而产生的重要发酵产物很 多，例如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳 酸（异型乳酸递氢特别是受氢过程中氢受体性质 的不同，可以把生物氧化区分成呼吸 （有氧呼吸）、无氧呼吸和发酵三种类 型
• （二）应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节
•
• 抗反馈调节突变菌株，就是指一种对反馈抑制 不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株，或兼而 有之的菌株。
• 在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除， 或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌 大量的末端代谢产物。
• （三）控制细胞膜的渗透性
• 微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高 度选择性。
(四)营养期(生长期)和分化期(生 产期)的关系
• 次级代谢的一个特征是次级代谢物通常是在生 长阶段(营养期)之后的生产阶段(分化期)合成。
• 次级代谢产物的形成出现较迟，这或许是抗生 素产生菌避免自杀的主要机制之一。
• 产物的形成是在某些养分从培养基中耗竭时开 始的。
• 易利用的糖、氨(NH3)或磷酸盐的消失导致次 级代谢物阻遏作用的解除。
• 葡萄糖是菌体生长良好的碳源和能源，但对青 霉素、头孢菌素、卡那霉素、新霉素、丝裂霉 素等都有明显降低产量的作用。
• 在初级代谢中，氮分解代谢产物调节，即被迅 速利用的氮源(氨)抑制作用于含底物的酶(蛋 白酶、硝酸盐还原酶、酰胺酶、脲酶、组氨酸 酶)的合成。在次级代谢中，其阻遏作用也确 实存在。在抗生素生产中使用黄豆饼粉就是由 于它缓慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防 止或减弱氮分解代谢产物阻遏作用的结果。
Mn2+、Co2+、Ni2+等)和磷酸盐等无机离子的影响。
• (7)在多数情况下，增加前体是有效的。
• (8)次级代谢酶的特异性不一定比初级代谢酶 高，次级代谢酶的底物特异性在某种程度上说 是比较广的。因此，如果供给与底物结构类似 的物质，则可以得到与天然物不同的次级代谢 产物。
• (9)培养温度过高或菌种移植次数过多，会使
5．细胞膜透性的调节
• 外界物质的吸收或代谢产物的分泌都需经细胞 膜的运输，如发生障碍，则胞内合成代谢物不 能分泌出来，影响发酵产物收获，或胞外营养 物不能进入胞内，也影响产物合成，使产量下 降。
• 如在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物 能力的大小影响青霉素发酵单位的高低。如果 输入硫化物能力增加，硫源供应允足，合成青 霉素的量就增多。
• ③细胞膜透性的调节。
• 在抗生素的生物合成途径中，一方面抗生 素本身的积累就能起反馈调节作用。
• 另一方面初级代谢产物的形成受到反馈调 节，也必然影响抗生素的合成。
3．碳、氮分解代谢产物的调节
• 碳分解代谢产物调节指能迅速被利用的碳源 (葡萄糖)或其分解代谢产物，对其他代谢中的 酶(包括分解酶和合成酶)的调节。分为分解产 物阻遏和抑制两种。
• 细胞内的代谢产物常常以很高的浓度累积着，并 自然地通过反馈阻遏限制了它们的进一步合成。
• 采取生理学或遗传学方法，可以改变细胞膜的透 性，使细胞内的代谢产物迅速渗漏到细胞外。
• 这种解除末端产物反馈抑制作用的菌株，可以提 高发酵产物的产量。
第四节 次生代谢产物 代谢调控机制
微生物代谢类型
• 菌体合成代谢的产物可根据它们与菌体生长、 繁殖的关系分为初级代谢产物和次级代谢产物。
第三节 微生物的代谢调控与发酵生产
• 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢 调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条 不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
第二节 代谢调控在发酵工业中的应用
• （一）应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节
• 在直线式的合成途径中，营养缺陷型突变株只能累积 中间代谢物而不能累积最终代谢物。但在分支代谢途 径中，通过解除某种反馈调节，就可以使某一分支途 径的末端产物得到累积。
第十章 微生物的代谢机制
• 微生物的代谢类型分为分解代谢与合成代谢， 分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简 单地表示为：
第一节 微生物的能量代谢
• 能量代谢的中心任务，是生物体如何把 外界环境中多种形式的最初能源转换成 对一切生命活动都能使用的通用能源— —ATP。
（一）底物脱氢的四条主要途径