第五章好氧发酵机制
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5发酵机制PPT课件
理论转化率106.7%, 实际转化率80~90%, 产酸12 ~ 14%,发酵时间60 ~ 80 hr.
1.发酵菌种: 黑曲霉(Asp.niger)和解脂假 丝酵母(Candida lipolytica)
2.发酵原料:糖蜜、薯干粉（木薯粉）、葡 萄糖母液、玉米（小麦）淀粉（TD-01）、 玉米粉（Co827）
* 磷酸果糖激酶
(3)
ATP - ADP
6
2.裂解（lysis)——磷酸丙糖的生成：
一分子F-1,6-BP裂解为两分子可以互变的磷
酸丙糖（triose phosphate)，包括两步反 应：
-
7
⑷ F-1,6-BP 裂解为3-磷酸甘油醛
和磷酸二羟丙酮
⑸ 磷酸二羟丙酮异构为3-磷酸甘油
(4)
醛缩酶 醛
-
14
第一节 糖嫌气性发酵产物积累机制
糖的无氧酵解（glycolysis)是指葡萄糖经EMP途径
生成丙酮酸后，在无氧条件下继续降解并释放出能 量的过程。
NADH2在此过程中将氢交给不同的有机物，形成各 种不同的代谢产物（在不同的微生物机体和不同条件下，
H2的受体不同，因而丙酮酸的去路也不同）。
-
-
3
葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸：
此阶段在细胞胞液(cytoplasm)中进行，一
分子葡萄糖(glucose)分解后净生成2分子丙 酮酸(pyruvate)，2分子ATP，和2分子
（NADH +H+）。糖酵解途径广泛存在于各 种细胞中，它的任何一个反应均不需要 氧。
-
4
1. 活化(activation)——己糖磷 酸酯的生成：
谷氨酸
-
34
（二）、细胞膜的通透性与谷氨酸的积累
发酵工程第5章发酵工艺控制
优点 可对每个因子做全面系统的考察。
缺点 如果考察的条件多，实验时间会比较长，各因 子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性。
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和
分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设 计、均匀设计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经 过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更 准确，大大提高了实验效率。 缺点 对于生物学实验准确性要求高，因为实验 的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实 验中存在较大的误差就会得出错误的结果。
厌氧发酵 需氧发酵 兼性厌氧发酵
液体发酵（包括液体深层发酵）
按培养基的物理性状
浅盘固体发酵
固体发酵
深层固体发酵（机械通风制曲）
以纯种好氧液体深层发酵为典型探讨发酵工艺控制。
一、发酵过程主要特征
（1）微生物是发酵过程的主体，是灵魂 （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系
（3）发酵过程是非常复杂的反应过程
带pH测控与补料控制的摇床
（2）代谢及工程参数层次研究：
一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试 验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法 考察的参数，以及在反应器中微生物对各种 营养成分的利用速率、生长速率、产物合成 速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出 过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中 全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况 比较可信。
供氧、排泄废气、提高KLa 物料混合、提高KLa 反映搅拌情况、KLa 反映菌的生长、KLa 反映菌的生长情况
反映发酵代谢情况
反映供氧效率
42
参数名称
pH 基质浓度 溶解氧浓度 氧化还原电位 产物浓度 尾气氧浓度 尾气CO2浓度 菌体浓度 RNA、DNA含量 ATP、ADP、AMP NADH含量 摄氧率 呼吸强度 呼吸商
缺点 如果考察的条件多，实验时间会比较长，各因 子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性。
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和
分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设 计、均匀设计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经 过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更 准确，大大提高了实验效率。 缺点 对于生物学实验准确性要求高，因为实验 的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实 验中存在较大的误差就会得出错误的结果。
厌氧发酵 需氧发酵 兼性厌氧发酵
液体发酵（包括液体深层发酵）
按培养基的物理性状
浅盘固体发酵
固体发酵
深层固体发酵（机械通风制曲）
以纯种好氧液体深层发酵为典型探讨发酵工艺控制。
一、发酵过程主要特征
（1）微生物是发酵过程的主体，是灵魂 （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系
（3）发酵过程是非常复杂的反应过程
带pH测控与补料控制的摇床
（2）代谢及工程参数层次研究：
一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试 验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法 考察的参数，以及在反应器中微生物对各种 营养成分的利用速率、生长速率、产物合成 速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出 过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中 全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况 比较可信。
供氧、排泄废气、提高KLa 物料混合、提高KLa 反映搅拌情况、KLa 反映菌的生长、KLa 反映菌的生长情况
反映发酵代谢情况
反映供氧效率
42
参数名称
pH 基质浓度 溶解氧浓度 氧化还原电位 产物浓度 尾气氧浓度 尾气CO2浓度 菌体浓度 RNA、DNA含量 ATP、ADP、AMP NADH含量 摄氧率 呼吸强度 呼吸商
发酵工程 第5章 氧的供需与传递
kG (p - pi ) k L (ci - cL )
单位接触界面氧的传递速率：
通常，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度。
为方便计算，氧传递速率用总传质系数和总推动 与力两表个示推：动力相对应的阻力是气膜阻力1/kG和液膜 阻力1/kL。
单位接触N界A面 氧p1的kGp传I 递C速1I k率LC为L 推p1动K力pG与 阻C1力K之CL L比。
根据培养的目的不同，选取不同的供 氧条件：
★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶 氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高 的微生物的细胞产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况。
第2节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
好氧微生物只能利用溶解态的氧，因此气态中的 氧需要经过一系列的传递步骤和克服阻力到液相。 氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再传 递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。
3. 氧分压（亨利公式）
三、微生物的临界氧浓度
耗氧速率受 氧浓度影响
微生物对发酵液中的溶解氧有一个最低要求。
临界溶氧浓度(Ccr)：当培养基中不存在其它限制性基质 时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。
微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。
氧的饱满度：溶解氧的 浓度与临界氧浓度之比。
KG ( p p) KL (C CL )
（5-2）
KG——以氧分压差为总推动力的总传质系数。 KL——以氧浓度差为总推动力的总传质系数。
氧的传递速率方程
OTR=KLa (c*-cL)或=KG a (p-p*) （5-16）
▪氧从空气泡到细胞的总传递阻力（1/Kt）为上述 各项传递阻力的总和。 ▪这种传递阻力有主次之分： ✓氧是难溶气体，供氧方面阻力3）较为显著； ✓耗氧方面阻力主要是7）8）； ✓当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细 胞团内的传递阻力消失； ✓而当细胞吸附在气液界 面上时，阻力4）5）6）7） 消失。
单位接触界面氧的传递速率：
通常，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度。
为方便计算，氧传递速率用总传质系数和总推动 与力两表个示推：动力相对应的阻力是气膜阻力1/kG和液膜 阻力1/kL。
单位接触N界A面 氧p1的kGp传I 递C速1I k率LC为L 推p1动K力pG与 阻C1力K之CL L比。
根据培养的目的不同，选取不同的供 氧条件：
★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶 氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高 的微生物的细胞产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况。
第2节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
好氧微生物只能利用溶解态的氧，因此气态中的 氧需要经过一系列的传递步骤和克服阻力到液相。 氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再传 递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。
3. 氧分压（亨利公式）
三、微生物的临界氧浓度
耗氧速率受 氧浓度影响
微生物对发酵液中的溶解氧有一个最低要求。
临界溶氧浓度(Ccr)：当培养基中不存在其它限制性基质 时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。
微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。
氧的饱满度：溶解氧的 浓度与临界氧浓度之比。
KG ( p p) KL (C CL )
（5-2）
KG——以氧分压差为总推动力的总传质系数。 KL——以氧浓度差为总推动力的总传质系数。
氧的传递速率方程
OTR=KLa (c*-cL)或=KG a (p-p*) （5-16）
▪氧从空气泡到细胞的总传递阻力（1/Kt）为上述 各项传递阻力的总和。 ▪这种传递阻力有主次之分： ✓氧是难溶气体，供氧方面阻力3）较为显著； ✓耗氧方面阻力主要是7）8）； ✓当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细 胞团内的传递阻力消失； ✓而当细胞吸附在气液界 面上时，阻力4）5）6）7） 消失。
第五章好氧发酵工艺及设备
第五章好氧发酵工艺及设备好氧发酵是指在氧气存在的条件下进行的发酵过程。
与厌氧发酵不同，好氧发酵需要提供足够的氧气供微生物进行呼吸代谢，产生能量来完成发酵过程。
好氧发酵工艺及设备在食品、饮料、药品、化工等行业有着广泛的应用。
好氧发酵工艺主要包括以下几个方面：1.培养基的选择：好氧发酵过程中，培养基的选择十分重要，需要提供适宜的营养物质供微生物生长和产生目标产物。
常见的培养基组分包括碳源、氮源、矿质盐等。
不同的微生物对培养基的要求有所不同，因此需要根据具体情况进行调整。
2.发酵条件的调控：好氧发酵过程中，温度、pH值、氧气浓度等因素对微生物的生长和产物合成有着重要影响。
合理调控这些条件可以提高产物的产量和质量。
例如，在一些发酵中，会通过控制培养温度来控制产物的结晶度和结晶形态。
3.发酵设备的选择：好氧发酵设备的选择也很重要。
常见的好氧发酵设备包括发酵罐、搅拌器、曝气设备等。
发酵罐通常根据发酵体积的大小有不同的规格，搅拌器可以实现培养基和微生物的均匀混合，曝气设备可以提供足够的氧气供微生物呼吸代谢。
4.发酵过程的监控：好氧发酵过程中，需要对发酵过程进行实时监控和控制。
常见的监测参数包括发酵液的pH值、溶氧量、温度等。
通过监测这些参数，可以及时调整发酵条件，保证发酵过程的稳定性和产物的质量。
好氧发酵工艺及设备在食品、饮料、药品、化工等行业有着广泛的应用。
在食品行业，好氧发酵被应用于面包、乳制品等的生产中，提高了产品的质量和口感。
在药品和化工领域，好氧发酵广泛用于抗生素、维生素等的生产，为制药和化工企业提供了重要的原料。
总之，好氧发酵工艺及设备在各个领域都有着广泛的应用和发展前景。
随着科技的进步，好氧发酵将会越来越被重视，并在更多领域中发挥重要作用。
第五章发酵机制与代谢调控
培养基中分支链氨基酸（Leu、 Ile、 Val）存在， 通过埃利希反应增加相应的高级醇的生成量。 培养基中氮水平高，则形成杂醇油量少。酵母菌自 身的生长将葡萄糖降解为酮酸，当无机氮丰富时， 生成的酮酸转变为相应的氨基酸，用于合成蛋白质， 使酮酸量减少；缺少氮源条件下，酮酸无法转变为 氨基酸，过量的酮酸脱羧还原生成少一个碳原子的 高级醇。
[ATP]+1/2[ADP]
能荷=
×100%
[ATP]+ [ADP]+[AMP]
2020/9/19
• 能荷调节：指细胞通过改变ATP、ADP和AMP 三者比例来调节其代谢活动。
• 当体系中ATP含量高时，ATP抑制磷酸果糖激 酶和丙酮酸激酶的活性，使糖酵解减少；
• 当需能反应加强，ATP分解为ADP、AMP， ATP减少，ADP、AMP增加，ATP的抑制作用 解除。
3-P-甘油酸 2-P-甘油酸
乙醇 乙乳醛酸 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸
2020/9/19
4ATP
2CH3COCOOH Mg2+
2ATP
2CO2 2CH3CHO NADH+H+
NAD+
C6H12O6
Байду номын сангаас
2C2H5OH
1、从Ｇ－－乙醇，无氧气参与，是无氧呼吸过程。
2、有脱氢反应，脱下的氢由辅酶Ⅰ携带。还原型 NADH+H+通过与乙醛反应而重新被氧化的。
2020/9/19
受能荷调节的酶系
R代表ATP合成系统；U代表ATP消耗系 统
2020/9/19
第一节 厌氧发酵机制与代谢调控
2020/9/19
一、酵母菌的酒精发酵
1.乙醇生产机制 酵母中，葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸，无氧
[ATP]+1/2[ADP]
能荷=
×100%
[ATP]+ [ADP]+[AMP]
2020/9/19
• 能荷调节：指细胞通过改变ATP、ADP和AMP 三者比例来调节其代谢活动。
• 当体系中ATP含量高时，ATP抑制磷酸果糖激 酶和丙酮酸激酶的活性，使糖酵解减少；
• 当需能反应加强，ATP分解为ADP、AMP， ATP减少，ADP、AMP增加，ATP的抑制作用 解除。
3-P-甘油酸 2-P-甘油酸
乙醇 乙乳醛酸 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸
2020/9/19
4ATP
2CH3COCOOH Mg2+
2ATP
2CO2 2CH3CHO NADH+H+
NAD+
C6H12O6
Байду номын сангаас
2C2H5OH
1、从Ｇ－－乙醇，无氧气参与，是无氧呼吸过程。
2、有脱氢反应，脱下的氢由辅酶Ⅰ携带。还原型 NADH+H+通过与乙醛反应而重新被氧化的。
2020/9/19
受能荷调节的酶系
R代表ATP合成系统；U代表ATP消耗系 统
2020/9/19
第一节 厌氧发酵机制与代谢调控
2020/9/19
一、酵母菌的酒精发酵
1.乙醇生产机制 酵母中，葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸，无氧
第五章好氧发酵工艺及设备
第五章好氧发酵工艺及设备1.好氧发酵概述好氧发酵是一种在氧气存在下进行的生物发酵过程，通过微生物的代谢活动，将有机物转化为能量、碳 dioxide、水和其他代谢产物。
好氧发酵广泛应用于食品、制药、环境保护等领域。
2.好氧发酵工艺好氧发酵工艺包括废水处理、微生物培养和食品生产等。
废水处理中，好氧发酵可将有机物转化为无害物质，如二氧化碳和水。
微生物培养中，好氧发酵可用于大规模生产细胞、酶和其他生物产品。
食品生产中，好氧发酵可用于制作面包、酸奶和酒精等。
3.好氧发酵设备好氧发酵设备包括反应器、氧气供应系统和控制系统等。
反应器是好氧发酵的核心设备，通常采用搅拌式反应器、固定床反应器或滤床反应器。
氧气供应系统用于提供反应过程中所需的氧气，通常采用天然气或空气。
控制系统用于监测和调节反应温度、氧气浓度、pH值等参数。
4.好氧发酵工艺优化为了提高好氧发酵的产率和质量，需要进行工艺优化。
工艺优化包括基质优化、发酵条件优化和微生物优化。
基质优化是指选择合适的发酵基质，如葡萄糖、乳糖和淀粉等。
发酵条件优化是指调节反应温度、pH值和氧气浓度等参数，以提高产率和质量。
微生物优化是指选择适合的微生物菌种，并进行突变体选育和基因工程改造等手段，以改善发酵性能。
5.好氧发酵应用案例好氧发酵在食品行业中有广泛应用。
例如，制作面包时使用的酵母发酵属于好氧发酵过程。
酵母通过代谢葡萄糖生成二氧化碳和酒精，使面团发酵膨胀。
另外，酸奶的制作也采用好氧发酵工艺。
乳酸菌通过代谢乳糖生成乳酸，增加酸奶的口感和保质期。
总结：好氧发酵是一种在氧气存在下进行的生物发酵过程，广泛应用于废水处理、微生物培养和食品生产等领域。
好氧发酵设备包括反应器、氧气供应系统和控制系统等。
为了提高发酵的产率和质量，需要进行工艺优化，包括基质优化、发酵条件优化和微生物优化。
好氧发酵在食品行业中应用广泛，如面包和酸奶的制作等。
生化工艺 第五章发酵过程及控制 第四节发酵过程检测和自控
第四节 发酵过程检测和自控
2．尾气分析 尾气分析能在线、即时反映生产菌的生长情况。通 风发酵尾气中pH的减少和CO2的增加是培养基中营养物质 好氧代谢的结果。这两种气体（CO2 、O2）的在线分析所 获得的耗氧率（ OUR）和CO2释放率（CER）是目前有效 的微生物代谢活性指示值。目前主要有红外CO2分析仪 (IR)、热导式气相色谱法（GC）、CO2电极法、质谱仪等。 IR和电极法较为常用。O2分析仪有顺磁氧分析仪、极谱 氧电极和质谱仪。
第四节 发酵过程检测和自控
3．发酵液成分分析 发酵液成分的分析对于认识和控制发酵过程也是十分 重要的。高效液相层析(HPLC)具有分辨率高、灵敏度好、 测量范围广、快速及系统特异性等优点。目前已成为实验 室分析的主导方法。但进行分析前必须选择适当的层析柱、 操作温度、溶剂系统、梯度等，而且样品要经过亚微米级 过滤处理。与适当的自动取样系统连接，HPLC可对发酵液 进行在线分析。
第四节 发酵过程检测和自控
由生物化学性质可得到呼吸活动及糖代谢等信息， 这对了解发酵的代谢途径是很重要的。通过计算机可确 定碳平衡的变化，运用寄存数据可得细胞产量。采用不 同的底物并将计算得到的细胞产率和有机能量产率加以 比较，可能反映出有机化合物的分解代谢机制。这些变 量之间的关系将有助于阐明发酵过程的主要代谢途径以 及发酵生产的效率。
第四节 发酵过程检测和自控
③最优控制 最优控制是指根据生产情况，随时改变某些参数给定 值，以达到生产过程的最优化控制。最优控制常用观察指 标：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。最优化控制 时，根据生产过程的变化情况，改变其中某些参数给定值， 使产量达到最大。 使用计算机对发酵过程中的有关参数进行数据分析， 可深入了解发酵过程的物理、化学、生理和生化条件，指 导生产，调整操作参数，获取新的信息。否则这些条件或 者无从了解或者由于测定或计算费事、费时而只能在事后 才能加以测定。
固体废物处理与资源化-第五章 第一节好氧堆肥
（2）细胞物质的合成
细胞质的同化作用是以NH3作为氮源，细 胞质的合成作用包括有机物的氧化过程。
nxC H yO zN3H (n xn 4 yn 2 z5x)O 2 （ C 5H 7细 N2O ＋ 胞 n（ 质 5)C2） O n2 y4H 2O能量
（3）细胞物质的氧化
细胞质的分解反应是细胞质内源呼吸所 引起的反应：
2N 24 H 3O 2 7 4 C2 H H3 C 2 O N 1 3 O （ C 5 H 7N 细 2 O 2H 胞 0 2 O 4H 质 2
（4）腐熟阶段
由于硝化细菌生长缓慢，只有在低于40℃的温度 下才有活性，所以硝化反应通常是在有机物分解 完成后才开始进行。氮在转化为硝酸盐后才能被 植物吸收。因此熟化阶段对于生产优质堆肥是一 个很重要的过程。
（3）高温阶段
温度>45℃ 从废物堆积开始发酵，不到一周的时间，堆温一般可达到65～
70℃，或者更高。此时，嗜温菌受到抑制或死亡，嗜热菌大量 繁殖，逐渐替代嗜温菌的活动。 高温阶段最有利于有机物的降解，除前一阶段残留的和新形成 的可溶性有机物继续得到分解外，其它的固体有机物(纤维素、 半纤维素、木质素、蛋白质等)也开始强烈分解。 50℃左右时，嗜热性真菌和放线菌都很活跃。 60℃时，真菌不再适于生存，只有嗜热性放线菌和细菌仍
通风量主要决定于微生物的活动程度、有机物的分解速率、 物料的含水率以及物料颗粒的大小密切相关。可用下式推算出 理论上氧化分解需要的氧气量（该关系式反映堆肥化过程中有 机物氧化分解关系）： CSHtNUOV·aH2O+bO2→CWHXNYOZ·CH2O+dH2O( 气 )+eH2O( 液)+fCO2+gNH3+能量
好氧发酵原理
好氧发酵原理《好氧发酵原理》一、什么是好氧发酵？好氧发酵（aerobic fermentation）是一种以酶把特定碳水化合物作为底物发酵，同时需要充足的氧气，所得产物中含有有机酸、糖、硫酸盐、有机醇等有机物的一种微生物发酵过程。
因此，好氧发酵是一种常见的利用微生物发酵合成及加工的工艺过程，已经被广泛应用于食品加工、医药制造、有机化学工业等领域。
二、好氧发酵的基本原理好氧发酵过程是一种特殊的酶把特定的底物发酵的过程，同时需要充足的氧气。
此外，还需要有一定的pH值。
一般来说，在好氧发酵中，微生物的生长需要碳水化合物（如糖类、淀粉等）作为底物，同时需要可在水溶液中溶解的氧作为气体，并且要保持溶液中的氧气含量与pH值在一定的性质之间。
当底物被微生物的酶作用，把碳水化合物分解成有机物，同时，需要消耗氧气来完成细胞呼吸，以便获取能量，这就是好氧发酵的反应过程。
三、好氧发酵的优点（1）此发酵过程可以生产高附加值的有机化合物，这些化合物丰富的多种物质，可以满足多种工业应用需求；（2）此发酵过程可以高效率地将底物转化为高附加值的有机物，发酵产物中的硫酸盐、有机酸等可以满足工业应用的要求；（3）此发酵过程具有节能环保的优点，可以降低能耗，减少污染物的排放；（4）此发酵过程可以节省原材料、提高发酵速度以及提高产品质量，使得发酵过程更加经济实用。
四、好氧发酵的应用（1）食品发酵：好氧发酵法可以制备一系列有益健康的食品，例如酸奶、啤酒、果酱等；（2）制药：好氧发酵过程可以用于生产一系列生物活性物质，如维生素、抗生素等；（3）工业应用：好氧发酵技术可以用于活性染料、乙醇、酸性酯等有机物的合成。
此外，好氧发酵还可以用于清洁制造（Clean Manufacturing Technology），具有很高的环保价值。
第五章 发酵过程控制
发酵罐：夹套（10M3以下） 盘管（蛇管） （10M3以上）
二、 pH对发酵的影响及控制
发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环 境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的 发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很 大的影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的 变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最 佳的状态。尽管多数微生物能在3~4个pH单位 的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了 达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH 在很窄的范围内保持恒定。
第五章 发酵过程控制
本章讲述内容
发酵过程代谢变化规律 发酵条件的影响及其控制
第一节 发酵过程的代谢变化规律 发酵过程即细胞的生物反应过程， 是指由生长繁殖的细胞所引起的生 物反应过程。它不仅包括了以往 “发酵”的全部领域，而且还包括 固定化细胞的反应过程、生物法废 水处理过程和细菌采矿等过程。
为什么要研究发酵过程
µ与 α与温度有关
根据Arrenhnius公式 µ = Ae-E/RT α = A’e-E’/RT 通常E’大于E，所以 α比 µ对温度变化更为敏感 。
例：青霉菌生产青霉素 青霉菌生长活化能E=34kJ/mol 青霉素合成活化能E=112kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当 重要。
第二节 发酵条件的影响及其控制
工艺条件控制的目的：就是要为生产菌 创造一个最适的环境，使我们所需要的 代谢活动得以最充分的表达。
一、温度对发酵的影响及控制
1，影响发酵温度的因素 产热因素：生物热 搅拌热 散热因素：蒸发热 辐射热
发酵热
发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
3、分批发酵的优缺点
●
好氧发酵
特点：堆制温度低（37℃ 左右），周期长。
二、好氧发酵原理
好氧微生物在与空气充分接触的条件下，使 固体废弃物中可生物降解性有机物发生一系列生 物分解反应并放出热量，最终使有机物转化为简 单而稳定的腐殖质，同时产生二氧化碳和水分等 无机物的过程。堆肥过程中的产生的热能促进水 分蒸发与，杀死病原菌寄生虫虫卵，并且使杂草 种子失活。
同化作用：生物体把从外界环境中获取的营养物质转变为自身的组成物 质，并储存能量的变化过程。其实质是形成有机物和贮存能量的过程。 异化作用：生物体将体内的大分子转化为小分子并释放出能量的过程。
三、好氧发酵过程、机理
• 1、中温阶段（产热或起始阶段）
堆制初期，15～45℃，嗜温性微生物利用堆 肥中可溶性有机物进行旺盛繁殖。温度不断上升， 此阶段以中温、需氧型微生物为主，一些无芽孢 细菌，真菌和放线菌。在目前的堆肥化设备中， 此阶段一般在12小时以内。
堆肥微生物
（1）来源：有机废物里面固有的； （2）作用：人工加入的特殊菌种。在一定条件下对某些有 机物废物具有较强的分解能力，活性强、繁殖快、分解力 强，能加速反应进程，缩短反应时间。
细菌
种 类
• 形体最小、数量最多，分解大部分的有机物并产 生热量；
放线菌
真菌 微型生物
• 分解纤维素、木质素、角质素和蛋白质等复杂有 机物，散发泥土气息，如树皮报纸等硬物；
• 在堆肥后期与细菌竞争食物，更耐低温，部分真 菌需氮比细菌低，能够分解木质素，细菌则不能； 如轮虫、线虫、跳虫、潮虫、甲虫和蚯蚓，在堆肥中 移动和吞食，消纳部分有机废物，增大表面积，并促 进微生物的生命活动。
四、影响好氧发酵的因素
C/N ：35:1
C/P ：在75~150为宜
第五章微生物发酵及工艺控制
发酵过程中pH值的变化是各种酸和碱的综合结果。一 方面是培养基中含有酸性成份（或杂质）。糖被菌体吸收 利用后，产生有机酸，并分泌至培养液中。一些生理酸性 物质（硫酸铵等）被菌体利用后，会促使氢离子浓度增加， pH值下降。另一方面水解酪蛋白和酵母粉等培养基成份， 在其利用后会产生NH3，造成培养液碱性。一些生理碱性 物质（硝酸钠、氨基酸、尿素、氨水等）被菌体利用后， 将释放出游离NH3或生成碱使pH值上升。
• 比生长速率是菌体浓度除菌体的生长速 率，或菌体浓度除菌体的繁殖速率。在 平衡条件下，比生长速率μ
• 基质的消耗速率 指单位时间、单位体 积发酵液中消耗的基质量，可表示为：
•
• 基质的消耗速率常以单位体积发酵液内 干菌体质量表示，称基质的比消耗速率， 以Qs表示
• ms——以基质消耗表示的维持代谢系数（维持因 数），维持（M）是指活细胞群体在没有实质性 的生长（即生长和死亡处于动态平衡状态）和没 有胞外代谢产物合成情况下的生命活动。所需能 量由细胞物质的氧化或降解产生。这种用于“维 持”的物质代谢称维持代谢，叫做内源代谢（对 好氧发酵称“呼吸”），代谢释放能叫维持能。
• 代谢产物的生成速率指单位体积、单位时间内 产物的生成量，记为up 。
•如果产物生成速率以 单位体积发酵液内干 菌体质量为基准时， 称产物的比生成速率， 记为QP 。
•比当生以成产速物率C常O表2 记示时为，
产
物的 。好
氧微生物发酵反应中生成CO2 量相对于氧的消耗，称呼吸
商（RQ）
微生物发酵动力学
发酵温度取决于发酵过程中能量变化，一般与内在 因素有关。菌体生长繁殖过程中产生的热是内在因素， 称为生物热，是不可改变。另外，与外在因素（搅拌热、
蒸发热、辐射热及冷却介质移出的热量有关。
• 比生长速率是菌体浓度除菌体的生长速 率，或菌体浓度除菌体的繁殖速率。在 平衡条件下，比生长速率μ
• 基质的消耗速率 指单位时间、单位体 积发酵液中消耗的基质量，可表示为：
•
• 基质的消耗速率常以单位体积发酵液内 干菌体质量表示，称基质的比消耗速率， 以Qs表示
• ms——以基质消耗表示的维持代谢系数（维持因 数），维持（M）是指活细胞群体在没有实质性 的生长（即生长和死亡处于动态平衡状态）和没 有胞外代谢产物合成情况下的生命活动。所需能 量由细胞物质的氧化或降解产生。这种用于“维 持”的物质代谢称维持代谢，叫做内源代谢（对 好氧发酵称“呼吸”），代谢释放能叫维持能。
• 代谢产物的生成速率指单位体积、单位时间内 产物的生成量，记为up 。
•如果产物生成速率以 单位体积发酵液内干 菌体质量为基准时， 称产物的比生成速率， 记为QP 。
•比当生以成产速物率C常O表2 记示时为，
产
物的 。好
氧微生物发酵反应中生成CO2 量相对于氧的消耗，称呼吸
商（RQ）
微生物发酵动力学
发酵温度取决于发酵过程中能量变化，一般与内在 因素有关。菌体生长繁殖过程中产生的热是内在因素， 称为生物热，是不可改变。另外，与外在因素（搅拌热、
蒸发热、辐射热及冷却介质移出的热量有关。
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柠檬酸发酵中黑曲霉对Mn2+极端敏感。黑曲 霉在缺锰的条件下发酵 ，细胞有生理和代谢的变 化。 Mn2+的效应可以认为是NH4+水平升高而减弱 了柠檬酸对EMP途径关键酶（PFK）的抑制。
第二个调节的酶是丙酮酸激酶（PK）
PK 被NH4+ 、K+激活
磷酸烯醇丙酮酸－－－－丙酮酸＋ATP
二氧化碳的固定反应 参与二氧化碳固定反应的酶：
C6H12O6 +2H2O 2CO2+8H++8e 净反应 C6H12O6 2CH3COOH+2CO2+8H++8e CH3COOH+ 2H2O 3CH3COOH
反应在厌氧条件下进行的，由己糖或戊糖生成醋酸的理 论产率都是100％。 热醋酸梭菌为产芽孢菌，Ｇ＋，周生鞭毛，耐高温，最 适生长温度55～60°C，转化率高，严格厌氧，还可以利用 戊糖。但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸盐。
E1 E2 E1
CH3CHO
E2
CH3COOH
乙醇脱氢酶 或乙醇氧化酶，它依赖于NAD。 乙醛脱氢酶 ，需要NADP作辅酶。
醋杆菌为G-，好氧菌， 1mol乙醇转化为1mol醋酸，理论转化率是130％。
2 热醋酸梭菌生产醋酸
热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，还可 以将CO2还原为醋酸。 CO2是通过甲酰四氢叶酸（THF）和类 咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性，不能利用氢 气。
第六章 好氧发酵产物积累机制
好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵 过程中需要不断地通入一定量的无菌空气，如利用 黑曲霉进行柠檬酸的发酵、利用棒状杆菌进行谷氨 酸的发酵、利用黄单孢菌进黄原胶－多糖的发酵等 等． 糖的分解代谢包括糖酵解（糖的共同分解途径） 和三羧酸环（糖的最后氧化途径）。
积累柠檬酸应采取的措施： 想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力； 必须切断柠檬酸的去路；顺乌头酸酶失活， ＴＣＡ环阻断。
保证中间产物的供给；草酰乙酸的及时供给，
丙酮酸
CO2
二氧化碳固定反应对柠檬酸 积累有重要意义。 CO2
乙酰COA
草酰乙酸
1 糖酵解及丙酮酸代谢的调节
第一个调节的酶是磷酸果糖激酶（PFK）：AMP、 无机磷、NH4+对该酶有活化作用
阻断顺乌头酸酶的催化作用：该酶是个含铁的非 血红蛋白，以Fe4S4作为辅基。因此，在菌体生长到足 够菌数时，适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），使与铁硫 中心的Fe++ 生成络合物，则该酶失活或活性减少，而 积累柠檬酸。
II
III 3
通过诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌 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。
在有氧条件条件下：
• 丙酮酸进入线粒体，脱氢和脱羧生成乙酰 COA，在TCA循环中脱氢，并氧化形成CO2和 H2O， 或者各种代谢物，NADH2经呼吸链将氢传递给 氧生成水。 • 另外，乙酰辅酶A在生物合成过程中作为C2 化合物加以利用，形成脂肪等。
第一节
柠檬酸的发酵机制
一、柠檬酸的合成途径
黑曲霉 (Asp.niger) 原料：sugar ， alcohol， acetic acid 途径： EMP（HMP） 丙酮酸羧化 TCA环
ATP、柠檬酸对该酶有抑制作用 Q：PFK在正常生理条件下能被柠檬酸抑制，但 在柠檬酸发酵中，柠檬酸浓度很高，为什么EMP 途径仍能保持畅通呢？
由于TCA循环降低，ATP的生成减少，蛋白 质和核酸合成受阻，细胞内的NH4+异常高，从而 降低了柠檬酸对PFK的抑制。
柠檬酸发酵需要下述环境条件： 磷酸盐浓度低；氮源为NH4+盐； pH值低（低 于2.0）； 溶氧量高；Mn2+ 、 Fe2+ 、 Zn2+含量 极低。
一.谷氨酸生物合成途径
TCA循环、乙醛酸循环和CO2固定反应。葡萄糖先 生成谷氨酸，依次经鸟氨酸，谷氨酸生物合成精氨 酸。 谷氨酸的生物合成途径如图所示。
谷氨酸的生物合成途径有EMP途径、HMP途径、
二.谷氨酸生物合成的调节机制
三. 谷氨酸发酵的代谢控制
谷氨酸发酵的代谢控制一般采取下列措施。
柠檬酸积累机理
1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而 导致细胞内的NH4+ 浓度升高，促进了EMP途径 的畅通。 2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草 酰乙酸。 3、在控制Fe++含量的情况下，顺乌头酸酶活 性低，从而使柠檬酸积累。
顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡
柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸＝90 ：3：7
丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
2
TCA环的调节
柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶，由乙酰 辅酶Ａ中的高能硫酯键水解释放大量能量，推动合成柠 檬酸。
柠檬酸
顺乌头酸
异柠檬酸
两步反应均由顺乌头酸酶催化，该酶需要Fe++， I 若用络合剂除去反应液中的铁，则酶活性被抑制，造 成柠檬酸的积累。
1．控制发酵的环境条件 氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影 响，对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷 氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否则 就几乎不积累谷氨酸。下表表示谷氨酸生产菌因环 境条件改变而引起的发酵转换，这也就是说氨基酸 发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换的一 个典型例子。
4、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶Ａ和丙酮酸固 定CO２反应相平衡，以及柠檬酸合成酶不被抑制，增 强了合成柠檬酸的能力。
5、柠檬酸积累增加，pH降低，在低pH条件下， 顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步 促进了柠檬酸自身的积累。
第二节醋酸发酵机制
淀粉 糖 酒精 醋酸
1. 醋杆菌发酵酒精成醋酸 乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。 CH3CH2 OH
黑曲霉生长，EMP与HMP途径的比率是2：1，生产柠 檬酸时为4：1。
葡萄糖 柠檬酸(citric acid)
理论转化率106.7%
R
提供4C 化合物
目的 产物
TCA 循 环
AMP
柠 檬 酸 的 生 物 合 成 途 径
Pi
NH4+
ATP
citrate
NH4+ k+ CO2
阻断
激活 抑制
2
1
二、 柠檬酸生物合成的代谢调节
第三节
谷氨酸发酵机制
氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动 生产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的代 谢控制发酵。由发酵所生成的产物——氨基酸，都是 微生物的中间代谢产物，它的积累是建立于对微生物 正常代谢的抑制。也就是说，氨基酸发酵的关键是取 决于其控制机制是否能够被解除，是否能打破微生物 的正常代谢调节，人为地控制微生物的代谢。