第六章微生物发酵
第六章 微生物代谢习题及答案

第六章微生物的代谢习题及参考答案一、名词解释1.发酵2.呼吸作用3.有氧呼吸4.无氧呼吸5.异型乳酸发酵6.生物固氮7.硝化细菌8.光合细菌9.生物氧化10.初级代谢产物:11.次级代谢产物:12.巴斯德效应:13.Stickland反应:14.氧化磷酸化二、填空题1.微生物的4种糖酵解途径中,是存在于大多数生物体内的一条主流代谢途径;是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径,为微生物所特有;是产生4碳、5碳等中间产物,为生物合成提供多种前体物质的途径。
2.同型乳酸发酵是指葡萄糖经途径降解为丙酮酸,丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸。
异型乳酸发酵经、和途径分解葡萄糖。
代谢终产物除乳酸外,还有。
3.微生物在糖酵解生成丙酮酸基础上进行的其他种类的发酵有丁二醇发酵、混合酸发酵、发酵和发酵等。
丁二醇发酵的主要产物是,发酵的主要产物是乳酸、乙酸、甲酸、乙醇。
4.产能代谢中,微生物通过磷酸化和磷酸化将某种物质氧化而释放的能量储存在ATP等高能分子中;光合微生物则通过磷酸化将光能转变成为化学能储存在ATP中。
磷酸化既存在于发酵过程中,也存在于呼吸作用过程中。
5.呼吸作用与发酵作用的根本区别是呼吸作用中电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物,而是交给系统,逐步释放出能量后再交给。
6.巴斯德效应是发生在很多微生物中的现象,当微生物从转换到下,糖代谢速率,这是因为比发酵作用更加有效地获得能量。
7.无氧呼吸的最终电子受体不是氧,而是外源电子受体,像22322423、CO O 、S 、SO 、NO NO ----等无机化合物,或 等有机化合物。
8.化能自养微生物氧化 而获得能量和还原力。
能量的产生是通过 磷酸化形式,电子受体通常是O 2。
电子供体是 、 、 和 ,还原力的获得是逆呼吸链的方向进行传递, 能量。
9.微生物将空气中的N 2还原为NH 3的过程称为 。
该过程中根据微生物和其他生物之间相互的关系。
【发酵工艺学总论】第六章-发酵经济学
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(1)菌株选育对发酵成本的影响
▪ 一般来说,菌种选育约占生产成本的20%-60%,筛选 具有优良性能的菌株和对菌株进行改良是降低生产成 本的有效途径。
a 优良生产菌株的筛选
①提高筛选效率很重要 分离一支有价值的菌株并不容易,通常要花费 较长的时间和代价,甚至花费了大量的精力仍一 无所获。
(1)菌株选育对发酵成本的影响
a 碳源(续)
▪ 在确定培养基配方时,不仅要比较它们的单耗成本,
而且还要考虑通风量与搅拌功率。 (黏度、溶氧)
▪ 工业废料的利用
▪ 优点:以此作为廉价C源,主要意义在其社会效益 显著,保护了环境 。
▪ 缺点:经济效益不如传统原料高。
(2)发酵培养基成本分析
b 矿物质(无机盐)
▪ 原材料中矿物质所占比重一般较小,其中较高的
本章内容
一、概述 二、影响发酵产品成本的主要因素的成本分析
(1)菌株选育 (2)发酵培养基 (3)无菌空气与通气搅拌 (4)动力费(加热、冷却) (5)培养方式 (6)发酵产品的分离纯化 (7)发酵规模 (8)市场经济信息分析及管理技术 三、发酵过程的经济学评价
一、概述
菌株 发酵工程原理 反应过程(代谢、工艺过程及控制)
搅拌转速亦会改变,应根据工艺要求设计,使整个运转费 最低。
(4)动力费(加热、冷却)成本分析
▪ 发酵生产中,需要加热与冷却的工序大体有: ▪ 培养基的加热灭菌(或者淀粉质原料的蒸煮糊化),
然后冷却到接种温度;
▪ 发酵罐及辅助设备的加热灭菌与冷却; ▪ 发酵热的冷却,发酵恒温; ▪ 产物提炼与纯化过程的蒸发、蒸馏、结晶、干燥等。 ▪ 节约冷却水用量的办法 ▪ 采用气升式发酵罐; ▪ 选育嗜热或耐热的生产菌株; ▪ 改变原料路线,少用烃类原料。
第六章 微生物发酵机理
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中较前面的一个中间产物所促进。 代谢中间产物的反馈激活:代谢中间产物对该代谢途径
的前面的酶起激活作用。
2、酶活性的调节(细调)
② 酶活性的抑制(inhibition):代谢调节过程中所发生 的抑制现象主要是可逆的,大多是反馈抑制
1、酶合成的调节(粗调)
③酶合成调节的遗传机制:操纵子学说
操纵子是指基因组DNA分子的一个片段,这个片断 由启动子、调节基因、操纵基因和结构基因组成。
诱导型操纵子:效应物存在导致基因表达。 阻遏型操纵子:效应物存在导致基因表达的关闭。
乳糖操纵子的诱导机制
P R PO
z
ya
半乳糖苷 酶
半乳糖 苷渗透 酶
在有两种或两种以上的末端产物的分支合成代谢途径中 ,调节方式较复杂,其共同特点是每个分支途径的末端 产物控制分支点后的第一个酶,同时每个末端产物又对 整个途径的第一个酶有部分的抑制作用,分支代谢的反 馈调节方式有多种:
顺序反馈抑制(sequential feedback inhibition) 同工酶的反馈抑制(isoenzyme feedback inhibition) 协同反馈抑制(concerted feedback inhibition) 累积反馈抑制(cumulative feedback inhibition) 超相加反馈抑制(cooperative feedback inhibition)
第六章 微生物发酵机理
第一节 微生物基础物质代谢 第二节 厌氧发酵产物的合成机制 第三节 好养发酵产物的合成机制
第一节 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢 二、微生物对培养基中氮源的代谢 三、微生物的能量代谢
第六章发酵动力学
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发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F , cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率(回流比) c: 浓缩因子
2.2连续发酵动力学-理论
2.2.1单级恒化器连续发酵
定义: ① 稀释率 将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与 发酵罐内的培养液总体积的比值 D=F/V (h-1) F—流量(m3/h) V—培养液体积(m3) ② 理论停留时间
μ
残留的限制性底物浓度对微生物
比生长率的影响
Ks—底物亲和常数,速度 等于处于1/2μm时的底物浓 度,表征微生物对底物的亲 和力,两者成反比。
酶促反应动力学-米氏方程:
Vm [ s ] v K m [ s]
受单一底物酶促反应限制的微生物 生长动力学方程-Monod方程:
m s
Ks s
克P和每个有效电子所生成的细胞克数; ③ Yx/ATP:消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
基质消耗动力学 产物得率系数:
Yp/s , YP / O2 , YATP / s , YCO2 / s
:
消耗每克营养物(s)或每克分 子 氧 (O2) 生 成 的 产 物 (P) 、 ATP 或
CO2的克数。
细胞生长动力学
Decline(开始出现一种底物不足的限制):
若不存在抑制物时
Monod 模型:
m s
Ks s
m s
Ks s
t
ln x ln x0
t
x x0e
细胞生长动力学
式中: S—限制性基质浓度,mol/m3 Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数),表示微生 物对底物的亲和力 , mol/m3 ; Ks越大,亲和力越 小, µ 越小。
第六章 典型发酵过程动力学及模型
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rX/rX rS/rX rP/rX
二、微生物生长动力学
1. 细胞反应的得率系数
对底物的细胞得率:
YX / S
生 成 细 胞 的 质 量 消 耗 底 物 的 质 量
rX rX0 Dm X = DmS rs0 rs
Dm X = DmO
对氧的细胞得率:
YX / O
生 成 细 胞 的 质 量 消 耗 氧 的 质 量
摄氧率 与 呼吸强度
四、
代谢产物生成动力学
相关型
部分相关型
非相关型
四、
代谢产物生成动力学
1)偶联型 也叫产物形成与细胞生长关联模式(相关模型),产物的形成和菌体 生长是平行的。在该模式中,产物形成速度与生长速度的关系 可表示为: rP = YP/X rx = YP/XμX = αμX qP = αμ
μ= μmS/(KsX+S) μ=KsSn
菌体生长,基质消耗
1959
1963 1972
Dabes等
尺田等 Bailey
S=Aμ+Bμ/(μm+μ)
μ2/K-(Ks+S)μ-μmS=0 μ= μmS/(Ks+S)-D 微生物维持代谢
1973
1975 1977
二、微生物生长动力学
5、无抑制、多种基质限制下的细胞生长动力学
一、 数字拟合法 根据小型试验、中型试验或生产装置上实测的数据,利用 现代辨识技术,找出个参量之间的函数关系而建立数学模 型的方法。
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 y = 3.5348e
细胞生长
微生物生化反应动力学
产物生成
发酵过程反应的描述
6 微生物工程 第六章 发酵动力学2

1 KS 1 1
max S max
1
1 KS
KS
斜率 max
1
max
1 S
Monod方程式双倒数图
求μm和 Ks。
解:将Monod方程变形:
1 1 Ks 1
m m S
以1/S为横坐标,1/μ为 纵坐标,得一条直线, 由直线与x轴和y轴相交, 分别求得:
分批发酵动力学-产物形成动力学
生长部分相关→生长部分偶联型:
柠檬酸、氨基酸发酵
dP dt
dX dt
X
qP
α: 与菌体生长相关的产物生成系数
β: 与菌体浓度相关的产物生成系数
产物间接由能量代谢生成,不是底物的 直接氧化产物,而是菌体内生物氧化过 程的主流产物(与初生代谢紧密关联)。
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
分批培养中的产物形成:
Ⅰ型:生长偶联产物生成 ——菌体生长、碳源利 用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。产物形 成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型:生长与产物生成部分偶联——在生长开始后 并无产物生成,在生长继续进行到某一阶段才有 产物生成。产物形成间接与碳源利用有关。
分批发酵动力学-产物形成动力学
与生长不相关→无关联:抗生素发酵
dP X
dt
qp
若考虑到产物可能存在分解时,则
dP dt
X
kd P
qp X
kd P
产物生成与能量代谢不直接相关,通过细 胞进行的独特的生物合成反应而生成。
微生物第六章 - 1
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HK和PK途径的反应特点
分解: (磷酸解酮酶)
6-磷酸果糖+Pi → 4-磷酸赤藓糖+乙酰磷酸(HK)
5-磷酸木酮糖+Pi → 3-P甘油醛+乙酰-P
氧化:(葡萄糖脱氢酶;葡萄糖酸脱氢酶)(PK)
6-磷酸葡萄糖+NADP+→6-P葡萄糖酸+NADPH+H+ 6-P葡萄糖酸+NADP+→5-P核酮糖+NADPH+H++CO2
4-P赤藓糖+ 6-P果糖 → 7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛
转醛反应:由转羟乙醛基酶(转醛酶)催化:
7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛 → 5-P核糖+5-P木酮糖
25
碳架重排-转醛和转酮反应
转醛酶
转酮酶
26
磷酸戊糖途径
磷酸戊糖途径(HMP or PP要生理功能为产生NADPH和C3~C7的小分
3-磷酸甘油醛 +2Pi →1,3-二磷酸甘油酸+4e+4H+
2NAD++4e+4H+→ 2NADH+2H+ 14
底物水平磷酸化
化合物在氧化分解过程中,形成的高能化合物中间体
的高能键水解,偶联ADP磷酸化形成ATP,这种产生
ATP的方式叫做底物水平磷酸化;
1,3-二磷酸甘油酸 → 3-磷酸甘油酸+~Pi 磷酸稀醇式丙酮酸 → 丙酮酸+~Pi ADP+~Pi → ATP
再生,乙醇排出细胞;
丙酮酸脱羧酶
丙酮酸
乙醛+ CO2
乙醛+NADH
乙醇脱氢酶
乙醇+NAD+
总反应式:葡萄糖→2×乙醇+2CO2+2ATP 33
酿酒酵母的乙醇发酵
微生物第六章总结

2.厌氧菌的液体培养:厌氧罐,厌氧手套箱。
二, 生产实践中培养微生物的装置
(一)固态培养法
1.好氧菌的曲法培养
通风曲:是一种机械化程度和生产效率都较高的现代大规模制曲技术,在我国酱油酿造业种广泛应用。
衰亡期的原因有:外界环境对继续生长越来越不利,从而引起细胞内的分解代谢明显超过合成代谢,继而导致大量菌体死亡。
三, 微生物的连续培养
连续培养:又称开放培养,是相对于上述绘制典型生长曲线时所采用的那种单批培养或密闭培养而言的。
1.连续培养的类型:(1)按控制方式分<1>恒浊器:是一种根据培养器内微生物的生长密度,并借光电控制系统来控制培养液流速,以取得菌体密度高,生长速度恒定的微生物细胞的连续培养。<2>恒化器:与恒浊器相反,是一种设法使培养液的流速保持不变,并使微生物始终在低于某最高生长速率的条件下进行生长繁殖的连续培养装置。
3.生长限制因子:凡处于较低浓度范围内可影响生长速率和菌体产量的某营养物。
(三)稳定期:又称恒定期或最高生长期。特点是:生长速率常数R等于零,处在新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等。
1. 生长产量常数Y(生长得率)可表示菌体产量与营养物的消耗关系:y=x-x0/c0-c=x-x0/c0(x为稳定期的细胞干重g/mL,x0为刚接种时的细胞干重,c0为限制性营养物的最初浓度g/mL,c为稳定期时限制性营养物的浓度)
(2)按培养器级数分:单级连续培养器和多级连续培养器两类。
2.连续培养用于生产实践称为连续发酵。连续发酵与单批发酵相比优点是:(1)高效(2)自控(3)产品质量较稳定(4)节约了大量动力。缺点是:(1)菌种易退化(2)易污染杂菌。
第六章微生物的生长及控制答案
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第六章微生物的生长及控制一、填空1. 研究细菌遗传、代谢性常采用指数生长期时期的细胞。
2. 用物理或化学方法杀死物品上大部分微生物的过程称消毒3. 防丄是采用一定方法阻止或抑制微生物生长,防止物品腐坏。
4. 干热灭菌的温度160C ~170 C、时间2h。
5. 影响微生物代时的主要因素有菌种、营养成分、营养物浓度和培养温度。
6. 影响微生物生长的主要因素有温度、ph、营养、02和水活度等。
7. 实验室常见的干热灭菌手段有烘箱内热空气灭菌和火焰灼烧;而对牛奶其他液态食品一般采用巴氏灭菌,其温度为60~65 C,时间为30min。
8. 通常,放线菌最适ph范围为7.5~8.5,酵母菌的最适ph范围为3.8~6.0,霉菌的最适ph范围为4.0~5.8。
9. 一条典型的生长曲线至少可分为延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个生长时期。
10. 试列出几种常用的消毒剂如苯酚、新洁尔灭、次氯酸和福而马林等。
11. 抗生素的作用机理有抑制DNA 复制、抑制蛋白质合成、抑制RNA 转录和抑制细胞壁的合成。
12. 获得纯培养的方法有:划线分离、平板涂布、显微镜直接挑取和浇注平板法等方法。
13. 抗代谢药物中的磺胺类是由于与对氨基苯甲酸相似,从而竞争性与二氢叶酸合成酶结合,使不能合成二氢叶酸。
14. 常用5~30%的盐渍腌鱼、肉,可久贮不变质的原因是高渗使细胞失水死亡。
15. 厌氧菌因为缺乏S0D,故易被02毒害致死。
16. 实验室活菌记数常采用菌落法、特殊染色法,总菌数记数常采用显微镜________板法。
17. 干热灭菌时必须在160C下维持2h时间才能达到彻底灭菌,一般根据是否能杀死芽孢制定灭菌条件的。
18. —般可通过机械筛选和环境条件诱导两类方法获得微牛物的同步牛长。
19. A..FIeming等发现了一种广泛存在于卵清、人的泪液等的一种酶溶菌酶仝能在水解细菌的细胞壁,水解为点是$1.4糖苷键。
20. 根据微生物生长与氧的关系,可以分为好氧彳________物三大类型。
发酵工程第六章
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发酵工程
第二节 发酵过程的代谢变化
了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温
度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞
的生长以及产物合成的代谢变化,有利于人们对
生产的控制。
发酵工程
一、发酵过程操作方式 发酵过程操作方式:
A.分批发酵 B.补料分批发酵 C.连续发酵
发酵工程
1. 分批发酵 分批发酵是指在一封闭培养系统内含
发酵工程
控制方法: (1)培养基注意适当的配比 (2)通过中间补料,控制起始浓度不要太高
发酵工程
第四节 基质对发酵的影响及其控制
一、碳源种类 速效碳源:较迅速的被利用,有利于菌体的生
长,如葡萄糖 迟效碳源:被菌体缓慢利用,有利于代谢产物
的合成,如乳糖等
发酵工程
培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时,菌体生长几乎没有延迟期; 单独加入乳糖时,菌体生长有明显的延迟期;2. 同 时加入葡萄糖和乳糖时,菌体呈二次生长
3)培养后期,产生热量不多,温度变化不大,且逐 渐减弱。
发酵工程
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中,由于机械 搅拌带动发酵液作机械运动,造成液 体之间,液体与搅拌器等设备之间的 摩擦,产生可观的热量。
发酵工程
3、蒸发热Q蒸发
通气时,引起发酵液的水分蒸发,水分 蒸发所需的热量叫蒸发热。 此外,排气也会带走部分热量叫显热Q显 热,显热很小,一般可以忽略不计。
发酵工程
4、辐射热Q辐射
发酵罐内温度与环境温度不同,发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取 决于罐温与环境的温差。冬天大一些,夏天 小一些,一般不超过发酵热的5%。
发酵工程
第六节 发酵过程的pH控制
微生物发酵工艺
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第六章微生物发酵制药工艺6.1 微生物发酵与制药6.2 微生物生长与生产的关系6.3 微生物生产菌种建立6.4 发酵培养基制备6.4 发酵培养基制备• 概念(medium)供微生物生长繁殖和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。
• 培养基的组成和比例是否恰当,直接影响微生物的生长、生产和工艺选择、产品质量和产量。
6.4.1 培养基的成分碳源氮源无机盐水生长因子前体与促进剂消泡剂1、碳源(carbon sources)概念:构成微生物细胞和代谢产物中碳素的营养物质。
作用:为正常生理活动和过程提供能量来源,为细胞物质和代谢产物的合成提供碳骨架。
碳源种类糖类:葡萄糖、淀粉、糊精和糖蜜脂肪:豆油、棉籽油和猪油醇类:甘油、乙醇、甘露醇、山梨醇、肌醇蛋白类:蛋白胨、酵母膏速效碳源:糖类、有机酸迟效碳源:酪蛋白水解产生的脂肪酸2、氮源(nitrogen sources)概念:构成微生物细胞和代谢产物中氮素的营养物质。
作用:为生长和代谢主要提供氮素来源。
种类:无机氮源、有机氮源有机氮源几乎所有微生物都能利用有机氮源黄豆饼粉、花生饼粉棉籽饼粉、玉米浆、蛋白\胨、酵母粉、尿素无机氮源氨水、铵盐和硝酸盐等。
氨盐比硝酸盐更快被利用。
工业应用:主要氮源或辅助氮源;调节pH值生理酸性物质:代谢后能产生酸性残留物质。
(NH4)2SO4利用后,产生硫酸生理碱性物质:代谢后能产生碱性残留物质。
硝酸钠利用后,产生氢氧化钠。
3、无机盐和微量元素• 概念:组成生理活性物质或具有生理调节作用矿物质• 作用方式:低浓度起促进作用,高浓度起抑制作用。
• 种类:盐离子磷、硫、钾、钠、镁、钙,常常添加铁、锌、铜、钼、钴、锰、氯,一般不加。
4、水菌体细胞的主要成分。
营养传递的介质。
良好导体,调节细胞生长环境温度。
培养基的主要成分之一。
5、生长因子(growth factor)概念:维持微生物生长所必需的微量有机物,不起碳源和氮源作用。
第六章 微生物生长及其控制
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第五节 有害微生物生长繁殖的控制
一、基本概念
防腐(antisepsis):在某些化学物质或物理因子作用下,能防止 或抑制霉腐微生物生长的一种措施 。比如:低温、缺氧、干燥、 高渗、高酸度、高醇度、加防腐剂等等。 消毒(disinfection):利用某种方法杀死或灭活物质或物体中所 有病原微生物的一种措施。比如:巴氏消毒法 灭菌(sterilization):指利用某种方法杀死物体中包括芽孢在内 的所有微生物的一种措施。包括杀菌和溶菌。比如:高压蒸汽 灭菌法 化疗(chemotherapy):利用具有选择毒性的化学物质如磺胺、 抗生素等对生物体内部被微生物感染的组织、病变细胞进行治 疗,以杀死组织内的病原微生物或病变细胞,但对机体本身无 毒害作用的治疗措施。以达到治疗传染病的目地。 四个概念的比较:p174表6-8
G = t1 - t0 /3.32(lgy - lgx) 特点:1)细菌个体形态、化学组成和生理特性等均 较一致2)代谢旺盛3)生长迅速、代时最短。 应用:研究微生物基本代谢、生理的良好材料。也常 在生产上用作种子
3.稳定期
表现: 新增殖细胞数与老细胞的死亡数几乎相等,活菌数动态 平衡。 特点: 1)生长速率为0---动态平衡,细胞总数最高. 2)细胞内开始积累内含物 3)开始形成芽孢、次生代谢物 原因: 养分减少;有毒代谢物产生。 延长: 补料,调pH、温度等。
嗜冷微生物 兼性嗜冷微生物 嗜温微生物 嗜热微生物 超嗜热或嗜高温微生物
最适生长温度:某菌分裂代时最短或生长速率最高时的培养温度
(二) PH
微生物生长过程中机体内发生的绝大多数的反 应是酶促反应,而酶促反应都有一个最适pH范围, 在此范围内只要条件适合,酶促反应速率最高,微 生物生长速率最大,因此微生物生长也有一个最适 生长的pH范围。
发酵工程 第六章 微生物发酵机理文稿演示

NaHSO3可作为抑制剂: 乙醛 + NaHSO3
乙醛亚硫酸氢钠↓
甘油发酵
2ATP 2ADP
1.6-
葡
二磷
萄
酸果
糖
糖
2AT 2ADPP
3-磷酸
丙酮酸
甘油醛
CO NaHSO
2 乙 乙醛 醛 HSO3
葡萄糖 ATP
ADP
6-磷酸果糖
6-磷酸果糖 Pi
1
4-磷酸赤藓糖
3-磷酸甘油醛
2
7-磷酸景天庚酮糖
乙酰磷酸
ADP ATP
3
5-磷酸木酮糖
乙酰
4
5
5-磷酸核糖
5-磷酸核酮糖
5-磷酸木酮糖
6
2 分子3-磷酸甘油醛 NAD+
NADH+H+ ADP
ATP NADH+H+
NAD+
乳酸
乙酰磷酸 ADP
7
ATP
⑽
2(NADH+H+)
⑹ 2Pi 1,3-二磷酸甘油酸
2ADP
⑺
2ADP
磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼
2-磷酸甘油酸
3-磷酸甘油酸 2ATP
2H2O
糖酵解和酒精发酵的全过程
酒精发酵中的副产物
主产物:乙醇、CO2
酵母菌酒精
醇(杂醇油)
发酵
醛(糠醛)
副产物40多种 酸(琥珀酸)
酯
甲醇
二 甘油发酵
酵母菌中的乙醇脱氢酶活性很强,乙醛作为氢受体被还原成 乙醇的反应进行得很彻底,因此,在乙醇发酵中甘油的生成量 很少。
2. 次级代谢(secondary metabolism):微生物以 初级代谢产物为前体物质,合成一些对微生物 生命活动无明确功能的物质和能量的过程。
微生物第6章
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微生物接种是群体接种,接种后的生长是微生物群体繁殖生长。
对细菌群体生长规律的了解是对其进行研究与利用的基础
第二节 细菌的群体生长繁殖 一、生长曲线
(参见P135)
在微生物学中提到的“生长”,均指群体生长。 生长曲线(Growth Curve):
细菌接种到定量的液体培养基 中,定时取 样测定细胞数量,以培养时间为横座标,以菌数为纵座 标作图,得到的一条反映细菌在整个培养期间菌数变 化规律的曲线。 (封闭系统)
感受态建立 表达稳定期的基因
(例如胞外蛋白酶)
稳定期的长短与菌种和外界环境条件有关
一、生长曲线
第二节 细菌的群体生长繁殖
特点: 细菌代谢活性降低; 细菌衰老并出现自溶; 产生或释放出一些产物;如氨基酸、转化酶、外肽 酶或抗生素等。 菌体细胞也呈现多种形态,有时产生畸形,细胞大 小悬殊; 有些革兰氏染色反应阳性菌此时会变 成阴性反应 衰亡期(Decline或Death phase): 营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累,细菌死亡速 率超过新生速率,整个群体呈现出负增长。 死亡的细菌以对数方式增加,但由于部分细菌产生抗性 也会使细菌死亡的速率降低,在死亡期后期仍会有部分 活菌存在。
(参见p152)
缺点?
采用细菌计数板或血球计数 板,在显微镜下对微生物数 量进行直接 计数(计算一定容积里样品 中微生物的数量)。
不能区分死菌与活菌; 不适于对运动细菌的计数; 需要相对高的细菌浓度; 个体小的细菌在显微镜下难 以观察;
(二)以数量变化对微生物生长情况进行测定
3、显微镜直接计数法
2)其它方法: 比例计数:
以数量变化对微生物生长情况进行测定
1、培养平板计数法 2、膜过滤培养法 3、显微镜直接计数法 1)常规方法: 2)其它方法: 以生物量为指标测定微生物的生长 1、比浊法 2、重量法 3、 生理指标法
第6章--酵母菌与酒精发酵
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酵母菌所需的营养物质
酵母菌的生长发育需要水、碳水化合物、 含氮物质、维生素和无机盐等。在正常 情况下,葡萄汁含有酵母菌需要的所有 营养成分。当基质中不再含有酵母菌所 需营养物质时,部分酵母菌自溶形成高 级醇和氨基酸。
1 碳水化合物 酵母菌不含叶绿素,不能像高等植物那样通 过光合作用合成碳水化合物,而只能同化基质中 的碳水化合物以获得所需的能量。酵母菌同化碳 水化合物有两种方式,即在有空气条件下的呼吸 作用和在无空气条件下的发酵作用。 酵母菌只能直接利用己糖(葡萄糖和果糖)。 蔗糖预先经酵母菌本身分泌的转化酶或葡萄果实 中的转化酶分解成己糖后,才能被酵母菌同化。
葡萄酒酒精发酵及酿造过程中酵母菌种类的变化 自然发酵条件下,在酒精发酵过程中,不同的酵母菌 种在不同的阶段产生作用,但种群的交替过程存在着交 叉。酒精发酵的触发,主要是尖端酵母和发酵毕赤酵母 的活动结果。 原料一入罐酿酒酵母就可以占总酵母数的50%左右。 酒精发酵后期(酵母衰减阶段),酿酒酵母群体数量 逐渐下降,但仍能维持在106以上。正常情况,一直到酒 精发酵结束,都不会出现其他的酵母。相反,在发酵中 止的情况下,致病性酵母就会活动,导致葡萄酒病害。 最常见和危害最大的是导致葡萄酒严重香气异常的间型 酒香酵母。
分裂繁殖:酵母菌进行分裂繁殖时,首先细 胞拉长,然后中间出现横隔而形成两个子细 胞。繁殖很快时,两个子细胞尚未分离又各 生一横隔,如此连续进行,可形成短链。
有性繁殖:当酵母菌所处的环境不利于其生长时 (如温度过高、过低、缺乏营养物质等),酵母菌细 胞停止进行营养繁殖,而进行有性繁殖,产生子囊 孢子。在有性繁殖时,细胞内的细胞核进行减数分 裂,每个子细胞核产生新的细胞壁,而成为子囊孢 子。母细胞的细胞壁加厚而成为子囊。每个子囊中 有2至4个子囊孢子。子囊孢子处于休眠状态,只 有当环境条件有利于其生长时,它才结束休眠。因 此,子囊孢子是酵母渡过不良条件的形式(如越冬)。
【微生物生物学】第六章考点总结2
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【微⽣物⽣物学】第六章考点总结2微⽣物的营养要求:碳源—⽆机碳源,有机碳源;氮源—⽆机氮源,有机氮源;⽆机盐—主要元素,微量元素⽣长因⼦—维⽣素,⽣物素;⽔;能源微⽣物的六类营养要素:碳源,氮源,⽆机盐,⽣长因⼦,能源,⽔营养物质及其⽣理功能:⽔分—功能:(1)溶剂与运输介质(吸收与分泌)(2)参与细胞内⽣化反应(3)维持蛋⽩、核酸等⽣物⼤分⼦稳定的天然构象及细胞正常形态(4)⽐热⼤,控制细胞内温度变化(5)通过⽔合与脱⽔控制多亚基组成的结构,如酶、微管、鞭⽑的组装与分离碳源—有机碳源:糖类(单糖,寡糖,多糖),有机酸,醇,脂类,烃类,芳⾹族化合物⽆机碳源:⼆氧化碳,碳酸氢钠,碳酸钠—功能:构成细胞物质的主要成分(⾻架)能源(分解代谢过程中产⽣)氮源—有机氮:蛋⽩及其降解物(胨、肽、氨基酸),核酸、尿素、嘌呤、嘧啶等⽆机氮:N2,硝酸盐,铵盐—功能:提供微⽣物⽣长、繁殖所需氮素营养;合成细胞含氮化合物,能源(⾃养菌)能源—化学物质:有机、⽆机化合物辐射能:光⽆机盐—⼤量元素: P, S, K, Mg, Ca, Na微量元素(≤ 0.1mg/L): Mn, Cu, Co, Zn, Mo , Fe—功能:(1)维持⽣物⼤分⼦和细胞结构的稳定;(2)酶活性中⼼的组成部分;(3)调节细胞渗透压平衡;(4)控制细胞氧化还原电位;(5)某些⾃养微⽣物的能源⽣长因⼦—种类:维⽣素(B族为主)、⽣物素、烟酰胺、氨基酸、胺类、甾醇、嘌呤、嘧啶—功能:参与新陈代谢,促进微⽣物⽣长光能⽆机营养型:具有光合⾊素,利⽤光能并以⽔或还原态⽆机物为供氢体来同化CO2光合⾊素:主要⾊素:叶绿素,菌绿素辅助⾊素:类胡萝⼘素,藻胆素(捕获光能,强光下保护作⽤)产氧光合作⽤:利⽤光能分解⽔⽽产⽣O2,还原CO2为有机物(藻类、蓝细菌内含叶素)光能CO2+H2O———→[CH2O]+O2↑叶绿素不产氧光合作⽤:吸收光能, 以还原态⽆机硫化物(H2S)为氢或电⼦供体同化CO2(光合细菌:紫⾊细菌,绿⾊细菌等)光能CO2+2H2S——→*CH2O]+H2O+S菌绿素⽣活环境:光照,厌氧,富含有机质,H2,硫化物⾮环式光合磷酸化系统PSII→PSI:P680--P680*--Ph--Q A--Q B--Qpool--Cyt bf-P700--P700*--FeS--Fd--Fp--NAD(P)HQ B—Qpool:⾮环式电⼦流(产⽣质⼦动⼒)Cyt bf—Fd:环式电⼦流(产⽣质⼦动⼒)环式光合磷酸化系统(紫⾊细菌)P870—P870*--Bph--Q A--Q B—Qpool—Cyt bc1---Cyt c2—P870---NAD(P)HQpool---NAD(P)H:反向电⼦流(耗能)光能有机营养型:利⽤光能,以简单有机物(醇、有机酸)为供氢体同化CO2CH3光能│CO2+2CH2-CHOH——→*CH2O]+2CH3COCH3+H2O菌绿素化能⽆机营养型:通过氧化⽆机物取得能量,并以CO2为唯⼀或主要碳源1. 硝化细菌(亚硝化细菌群,硝化细菌群)2.硫(化)细菌(通过氧化还原态的⽆机硫化物(H2S、S、S2O32-、SO32-)获得能量, 同化CO2)3. 铁细菌(氧化Fe2+为Fe3+获取能量并同化CO2)4. 氢细菌(具有氢化酶,从氢的氧化获取能量,同化CO2)**区别于异养型的产氢细菌,具有氢酶,氧化氢获得能量,但不能同化CO2化能有机营养型:⼤多数微⽣物以有机物为碳源和能源腐⽣型,寄⽣型,兼性寄⽣营养类型能源供氢体基本碳源实例光能⽆机光⽆机物⼆氧化碳蓝细菌, 光合细菌光能有机光有机物⼆氧化碳红螺菌科细菌,简单有机物化能⽆机⽆机物⽆机物⼆氧化碳硝化细菌等化能有机有机物有机物有机物⼤多数细菌和真菌影响物质进⼊细胞的因素:1. 营养物质本⾝的性质(分⼦量、溶解性、电负性等);2. 微⽣物所处环境(温度、pH、离⼦强度);3. 微⽣物细胞的透过屏障(细胞壁、细胞膜、荚膜、粘液层等的孔径⼤⼩,松紧程度)微⽣物吸收营养物质的⽅式:1、膜泡运输(吞噬作⽤)—吸附期,膜伸展期,膜泡迅速形成期,附着膜泡形成期,膜泡释放期特点:1. 主要存在于原⽣动物(变形⾍)中;2. 细胞膜内陷包裹营养物,由胞外进⼊胞内;2、被动扩散—由细胞质膜内外营养物的浓度差⽽产⽣的物理扩散作⽤。
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2013-7-14
• 发酵液pH变化是菌体代谢的综合结果,从代谢 曲线的pH值变化可以推测发酵罐中各种生化反
应的进展和pH变化异常的可能原因。
2013-7-14
例: 配制不同初始pH的培养基,摇瓶考察发酵情况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
2013-7-14
异亮氨酸发酵
不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇瓶发酵 的影响,结果如图所示。 “1”表示只加CaC03控制pH值, “2”表示只加尿素控制,“3”表示CaC03和尿素联合控制pH 2013-7-14 值。
注意: ●实际上,呼吸临界氧值不一定与产物合成临界氧值相同。 ●生物合成临界氧浓度并不等于其最适氧浓度。 ●在培养过程中是不是维持溶氧越高越好?
2013-7-14
• 初级代谢的氨基酸发酵,需氧量的大小与氨基酸 的合成途径相关。据需氧要求可分为三类: • 第一类有谷氨酸(Glu)、谷氨酰胺(G1n)、精氨酸
2013-7-14
⑵ 根据培养条件选择
• 温度选择还要根据培养条件综合考虑,灵活选择。 • 通气条件差时可适当降低温度,使菌呼吸速率降 低些,溶氧浓度也可髙些。 • 培养基稀薄时,温度也该低些。因为温度高营养 利用快,会使菌过早自溶。
2013-7-14
⑶ 根据菌生长情况 • 菌生长快,维持在较高温度时间要短些;菌生
6.7-7.3
6.2-6.5
四环素 碱性脂肪酶
6.1-6.6 6.5-7.0
5.9-6.3 6.8-7.4
2013-7-14
二、发酵过程中影响发酵液pH变化的因素
引起发酵液pH下降的因素有: 1、培养基碳、氮比例不合适,碳源过多,特别是葡 萄糖过量或者中间补糖过多,溶解氧不足,使有机酸 大量积累而pH下降。 2、消泡剂(油)加量过多。 3、生理酸性物质的存在,氨被利用。 引起发酵液pH下降的因素有: 1、培养基碳、氮比不当,氮源过多,氨基氮释放; 2、生理碱性物质存在; 3、中间补料中氨水或尿素等碱性物质量过多。
一、溶氧控制的意义 微生物只能利用溶解于液体中的氧。溶氧(DO) 是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面 的限制因素,而溶氧往往是最易成为控制因素。 氧是一种难溶于水的气体。在25℃,1×105 Pa条件下,空气中的氧在纯水中溶解度 0.25mmol/L。在28℃氧在在发酵液中的溶解度只 有0.22 mmol/L。
2013-7-14
利福霉素发酵 时,pH选择试 验结果。
2013-7-14
pH的控制
• 通过中间补料控制合适的pH,采用补料的方法,可
以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH和培 养液特性。
• 青霉素发酵中,通过调节补糖速率控制pH,比用恒
速加糖,pH由酸碱控制提高青霉素产量25%。
2013-7-14
2013-7-14
影响溶氧系数KL a 的因素
1、搅拌: (1)增加气液接触面积(打碎气泡),增加氧传 递面积;(2)使液体形成涡流,从而延长气泡在 液体中的停留时间;(3)增加液体的湍流程度, 降低气泡周围的液膜阻力,从而增加KL a值;(4) 减少菌丝结团,降低细胞壁表面的液膜阻力。
2013-7-14
2013-7-14
三、发酵过程中pH选择与控制
• 选择原则:既有利于菌体的生长繁殖,又最 大限度地合成代谢产物。
μ QP μ
QP
μ QP
a μ QP
b
c pH
d
2013-7-14 pH与菌体比生长速率(μ)和产物比生产速率(Qp)之间的关系
pH 选择
• 调节发酵培养基初始pH,在发酵过程中定时测定和 调节pH,以菌体生长达到最高值的pH为菌体生长的 合适pH,以产物合成达到最高值为产物合成合适的 pH。 • 利福霉素发酵,当pH7.0时,平均得率系数最大, 从经济角度考虑各种参数,平均得率系数最重要, 故pH7.0是生产利福霉素B的最佳条件。
2013-7-14
第二节 pH对发酵的影响和控制
一、pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响
• 菌种不同,对pH要求不同
• 菌种相同,pH不同,形成的产物不同
• 菌种生成和发酵的最适pH不同,形成的产物不同
2013-7-14
第二节 pH对发酵的影响和控制 pH对微生物生长和产物合成影响的原因:
1.影响细胞膜所带电荷的状态,改变细胞膜的通透性, 影响营养物质吸收和代谢产物分泌; 2.影响酶的活性,阻碍菌体的新陈代谢; 3.影响培养基中某些组分的解离,从而影响吸收;
2013-7-14
溶氧作为发酵异常的指标
• 生长过程从培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌 的生长生理状况。 • 发酵溶氧变化异常,可及时预告生产可能出现的 问题。
• 溶氧异常下降,原因?⑴ 、⑵、⑶ • 溶氧迅速(一般2~5h)跌到零,并长时间不回升。 这比无菌试验发现染菌要提前几个小时。溶氧升
OTR K L a (C* CL )
式中, KLa——以浓度差为推动力的体积溶氧系数, m/h; c* ——氧在水中的饱和浓度,mmol/L; cL ——发酵液中的溶氧浓度, mmol/L。
凡是使KLa和c*增加的因素都能使发酵供氧改善。
• Kla反映了设备的供氧能力,发酵常用的设备为摇 瓶与发酵罐。
H/D太大,溶氧系数反而增加不大。一般在23之间为宜。
2013-7-14
6. 发酵罐体积
发酵罐体积大的氧利用率高,体积小的氧利
用率低。几何形状相同的条件下,发酵罐体积大
的氧利用率可达7-10%,而体积小的发酵罐利用
率只有3-5%。
2013-7-14
7、培养液的物理性质
发酵液的表面张力、粘度、离子浓度等都会 影响气体的溶解度,还影响液体的湍动以及界面 和液膜的阻力,因而影响传递效率。
响不明显;
• 第三类,有亮氨酸、濒氨酸(Val)和苯丙氨酸(Phe),
仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时,才能获得最
大量的氨基酸,如果供氧充足,产物生成反而受 到抑制。
2013-7-14
三、供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
需氧方面 微生物的“需氧” 可用耗氧速率或呼吸强度来表示: 呼吸强度(respiratory strength):单位质量的细 胞干重在单位时间的耗氧量。单位为 mmol O2/(g · 干细胞 · ,用Qo2表示 h) 耗氧速率(oxygen uptake rate):指单位体积的培 养液在单位时间的耗氧量。单位为 mmol O2/(L· h), 用r表示
2013-7-14
两者的关系:
r QO2 X
式中,r ——耗氧速率,mmol O2/(L· h);
QO2——呼吸强度,mmol O2/(g· h); X ——菌浓,g/L。
2013-7-14
在发酵过程中,影响耗氧的因素有以下几方面: 1.培养基成分和补料 培养基的成分和浓度显著影响耗氧;培养液营养 丰富,菌体生长快,耗氧量大;发酵浓度高,耗氧 量大;发酵过程补料或补糖,微生物对氧的摄取量 随着增大。
2013-7-14
在微生物的培养过程中,应保持供氧与耗氧的 平衡,满足微生物对氧的利用。
2013-7-14
二、微生物的临界氧浓度
临界氧浓度:满足微生物呼吸的最低溶氧浓度,如 对产物而言,是不影响产物合成所允许的最低浓度。 用C临界表示。 如果溶解氧浓度低于临界值,细胞的比耗氧速 率就会大大下降,细胞处于半厌氧状态,代谢活动 受到阻碍。
2、空气的线速度
溶氧系数K Lα是随空气量的增加而增大的,当 增加通风量时,空气的线速度也就相应地增大,从 而增加了溶氧,氧传递系数K Lα相应地也增大。 但空气速度过大,则可使叶轮发生过载,即叶 轮不能分散空气,气体不经分散而沿搅拌器缓慢运 动的中心迅速上升而逸出。
2013-7-14
3、 空气分布管
2013-7-14
2.菌龄影响耗氧: 呼吸旺盛,耗氧力强,发酵后期菌体处于衰老状 态,耗氧能力自然减弱。
3.发酵条件影响耗氧:
在最适条件下发酵,耗氧量大。
发酵过程中,排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性
的有机酸和过量的氨,也有利于提高菌体的摄氧量。
2013-7-14
供氧方面 在单位体积培养液中氧的传递速率OTR可表示为:
长慢,维持较高温度时间可长些。培养条件适宜, 如营养丰富,通气能满足,那么前期温度可髙些, 以利于菌的生长。 • 总的来说,温度的选择根据菌种生长阶段及培 养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温 度。
2013-7-14
2. 温度的控制
• 设施:在发酵罐上安装夹套和蛇管,通过循环冷
却水控制。 • 冷却介质:深井水或冷冻水 • 控制方式:手动控制或自动控制
发酵液中泡沫的大量形成会使菌体与泡沫形
成稳定的乳浊液,影响到氧传递系数。
2013-7-14
若发酵液中溶氧保持不变,即供氧=需氧,则
K L a(c * cL ) QO2 X
使供需失去平衡的因子也会改变溶氧浓度。
2013-7-14
三、发酵过程溶解氧的变化
图 谷氨酸发酵时正常和异常的溶氧曲线
———正常发酵溶氧曲线; 异常发 酵溶氧曲线; 异常发酵光密度曲线
2013-7-14
一般好氧微生物临界溶解氧浓度很低,约为 0.003-0.05mmol/L,需氧量一般为25-100mmol/
(L· h)。其临界溶解氧浓度大约是饱和浓度的1%-25%。
2013-7-14
• 为避免发酵处于限氧条件下,需要考查每一种
发酵产物的临界氧浓度和最适溶氧浓度,并使
发酵过程保持在最适溶氧浓度。
2013-7-14
pH的控制
• 在培养液的缓冲能力不强的情况下,pH可反映菌的
生理状况,如pH上升超过最适值,意味菌处在饥饿 状态,可加糖调节,但加糖过量又会使pH下降。用 氨水中和有机酸时,过量的NH3会使微生物中毒。用 NaOH或Ca(OH)2调节pH,需注意培养基的离子强度和