第7章 发酵机制
发酵工程复习资料

第一章,绪论一、填空:微生物工程可分为发酵和提纯两部分,其中以发酵为主。
化学工程与发酵工程的本质区别在于化学工程利用非生物催化剂,发酵工程利用生物催化剂---酶。
二、判断:发酵产品是经微生物厌氧生物氧化过程获得的。
错三、课后思考题:1、发酵的定义:利用微生物的新陈代谢作用,把底物(有机物)转化成中间产物,从而获得某种工业产品。
(工业上定义、广义、有氧无氧均可)2、发酵流程:3、比拟放大的基本过程: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4、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)5、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(如工程菌)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。
5)、原料范围不断扩大石油、植物淀粉、天然气、空气、纤维素、木质素等6、举例说明微生物工业的范围酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒)食品工业(酱、酱油、食醋、腐乳、面包、酸乳)有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇)抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等)有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等)酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)氨基酸发酵工业(谷氨酸、赖氨酸等)核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等)维生素发酵工业(维生素B12、维生素B2等)生理活性物质发酵工业(激素、赤霉素等)名贵医药产品发酵工业(干扰素、白介素等)微生物菌体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋白)微生物环境净化工业(利用微生物处理废水等)生物能工业(沼气、纤维素等天然原料发酵生产酒精、乙烯等能源物质)微生物治金工业(微生物探矿、治金、石油脱硫等)第二章发酵基础知识1、写出生产以下产品的主要菌种:啤酒(啤酒酵母)、黄酒(霉菌(根霉、曲霉)、酵母菌、细菌)、味精(谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌)、柠檬酸(黑曲霉)、食醋(霉菌、酵母菌、醋酸菌)、酸奶(乳酸菌(保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、乳酸链球菌))2、发酵工艺控制中,主要应监控温度、pH值、溶解氧、泡沫、氧化还原电位等。
柠檬酸发酵机制

柠檬酸发酵机制柠檬酸生产分发酵和提取两部分。
发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵3种方法。
固态发酵是以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料,配好培养基后,在常压下蒸煮,冷却至接种温度,接入种曲,装入曲盘,在一定温度和湿度条件下发酵。
采用固态发酵生产柠檬酸,设备简单,操作容易。
液态浅盘发酵多以糖蜜为原料,其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中,接入菌种,待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。
发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。
深层发酵生产柠檬酸的主体设备是发酵罐。
微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。
现多采用通用发酵罐。
它的主要部件包括罐体、搅拌器、冷却装置、空气分布装置、消泡器,轴封及其他附属装置。
发酵罐径高比例一般是1:2.5,应能承受一定的压力,并有良好的密封性。
除通用式发酵罐外,还可采用带升式发酵罐、塔式发酵罐和喷射自吸式发酵罐等。
为了得到产柠檬酸的优良菌种,通常是从不同地区采集的土壤或从腐烂的水果中分离筛选,然后通过物理和化学方法进行菌种选育。
例如薯干粉深层发酵柠檬酸的菌种就是通过不断变异和选育得到的。
菌种适合在高浓度下发酵,产酸水平较高。
柠檬酸的发酵因菌种、工艺、原料而异,但在发酵过程中还需要掌握一定的温度、通风量及pH值等条件。
一般认为,黑曲霉适合在28~30℃时产酸。
温度过高会导致菌体大量繁殖,糖被大量消耗以致产酸降低,同时还生成较多的草酸和葡萄糖酸;温度过低则发酵时间延长。
微生物生成柠檬酸要求低pH,最适pH为2~4,这不仅有利于生成柠檬酸,减少草酸等杂酸的形成,同时可避免杂菌的污染。
柠檬酸发酵要求较强的通风条件,有利于在发酵液中维持一定的溶解氧量。
通风和搅拌是增加培养基内溶解氧的主要方法。
随着菌体生成,发酵液中的溶解氧会逐渐降低,从而抑制了柠檬酸的合成。
采用增加空气流速及搅拌速度的方法,使培养液中溶解氧达到60%饱和度对产酸有利。
柠檬酸生成和菌体形态有密切关系,若发酵后期形成正常的菌球体,有利于降低发酵液粘度而增加溶解氧,因而产酸就高;若出现异状菌丝体,而且菌体大量繁殖,造成溶解氧降低,使产酸迅速下降。
发酵工程ppt韦革宏杨祥 节ppt文档

NH3 + ATP
谷氨酸
NADP
谷氨酸
谷酰胺合酶 ADP+Pi
谷酰胺
谷氨酸合 酶
α-酮戊 二酸
NADPH2
微生物可经氨化作 用补充新的谷氨酸
从糖代谢中间体合成各种氨基酸
一、氨基酸发酵机制
(一)谷氨酸的发酵途径 (谷氨酸棒杆菌)
2. 异型乳酸发酵
肠膜明串oids)进行
3. 双歧发酵
两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)等进行
一、厌氧发酵代谢产物发酵机制
(三)丙酮-丁醇发酵 (四)混合酸与丁二醇发酵
以上两种类型的发酵产物较多,除了利用其生 产化工原料外,还经常被用来进行病原微生物 的检测。
珀酰二氨基庚二酸转氨酶; 19-琥珀酰二氨基庚二酸脱酰 基酶;20-二氨基庚二酸差向 异构酶;21-二氨基庚二酸脱
羧酶。
一、氨基酸发酵机制
(二)天冬氨酸族氨基酸生物合成途径
在酵母和霉菌等真菌中,天冬氨酸族的赖氨酸 是以另外的方式合成的,参见教材P91图3-9.
工业生产赖氨酸目前不采用酵母等真菌主要是 有两个原因:
一方面糖经过EMP、TCA途径生成天冬氨酸; 另一方面,NH3、CO2与ATP生成氨甲酰磷酸, 二者缩合通过几步反应生成乳清酸,后者再与 PRPP结合,最后生成UMP,再由UMP生成 UTP、CTP和TTP.
UMP
图3-9 枯草芽孢杆菌嘧啶 核苷酸的生物合成
发酵策略: 营养缺陷型 结构类似物抗性突变株 添加前体物
关键问题:柠檬酸是如何积累的?
第四节 氨基酸和核酸的发酵 机制
微生物发酵机制

2H(乳酸脱氢酶)
C6H12O6 EMP 2CH3COCOOH
2CH3CHOHCOOH
同型乳酸发酵的特点: 1mol的G产生2mol乳酸,理论转化率是100%。 另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。
二、 异型乳酸发酵
发酵产物中除乳酸外同时还有比例较高的乙酸 、乙醇、二氧化碳等,称为异型乳酸发酵。
2. Bifidus 途径(双歧途径): 双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)
进行的乳酸发酵也是一条磷酸解酮酶途径。 该途径的特点是:①有两个磷酸解酮酶参与; ②在没有氧化作用和脱氢作用下,2分子G分解为3 分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛。接着,在3-磷酸 甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶的参与下, 3-磷酸甘 油醛转化为乳酸,转化率为50%。
微生物发酵机制
发酵的类型
根据微生物的种类不同,可分为好氧 性发酵、厌氧性发酵和兼性发酵。
(1)好氧性发酵:在发酵过程中需要 通入一定量的无菌空气,满足微生物呼吸需 要。
(2) 厌氧性发酵:在发酵过程中不需要供给 无菌空气。
(3)兼性发酵 : 在有氧、无氧条件下均能生活。如酿
酒酵母,在缺氧条件下进行厌气性发酵积累 酒精,而在有氧条件下则进行好氧发酵,大 量繁殖菌体细胞。
发酵机制:微生物通过其代谢活动,利用基质 (底物)合成人们所需要的代谢产物的内在规律
积 微生物菌体
累
的酶
厌气发酵:酒精、甘油、乳酸、
产 物 代谢产物
丙酮、丁醇等
好气发酵:有机酸、氨基酸、
蛋白质、 核苷酸、
抗生素、维生素等
代谢控制发酵:人为的改变微生物的代谢调 控机制,使有用的代谢产物过量的积累。
其生物合成途径有两种。 1. 6-磷酸葡萄糖酸途径: 葡萄糖经6-磷酸葡萄糖生成5-磷酸核酮糖,再
酵母的第Ⅰ型发酵

3
第一节
厌氧发酵机制与代谢调控
一、酵母菌的酒精发酵(酵母的第Ⅰ型发酵) 1. 生物合成途径
4
总反应式为:
C6H12O6+2ADP+2H3PO4
理论转化率为:
2CH3CH2OH+2CO2+2ATP
2 46 .05 100 % 51 .1% 180 .1
实际转化率为理论值的 95%,约 48.5% CO2产量约为酒精质量的 95.5%
复杂有机物 发酵细菌 可溶性简单有机物 产酸菌 低级脂肪酸 (醋酸、丙酸、丁酸等) 产气菌(严格嫌气菌) CO2等 甲烷、 产酸阶段(兼性厌氧)
三阶段
废物利用
19
第二节
好氧发酵机制与代谢调控
一、柠檬酸发酵机制
1. 柠檬酸及其衍生物的用途 (1)食品工业:酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、 除腥脱臭剂、螯合剂等; (2)药物、化妆品; (3)工业上:去垢、无土栽培、胶粘剂等。 (4)柠檬酸盐类具有溶解度高、生理宽容性大、酸根可直
10
二、细菌的酒精发酵
少数假单胞杆菌
Glc只经过4步反 应就可形成Pyr
在ED途径中生成 的2分子的丙酮酸
脱羧生成乙醛, 乙醛还原生成乙 醇
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三、乳酸发酵机制
葡萄糖
有同型乳酸发酵和异型 乳酸发酵两种类型。前者在 发酵产物中只有乳酸,后者 的产物中除乳酸外,还有乙 醇和 CO2 。两者的发酵菌种 不同,发酵机制也不同。
巴斯德在研究酵母的酒精发酵时,发现在有氧的
情况下,由于进行呼吸作用,酒精产量大大下降,糖
的消耗速度减慢,这种呼吸抑制发酵的作用被后人称
为巴斯德效应。
8
巴斯德效应
发酵工程复习题

第一章发酵工程概述1.发酵的传统概念和现代概念传统概念:微生物在无氧条件下分解代谢有机物质释放能量的过程。
现代概念:利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。
2.发酵工程:发酵工程是利用微生物或其他生物细胞,在特定的生物反应器内生产某种特定的产品的工业化生产过程和技术体系。
图1-1 微生物工业发酵的基本过程3.4.发酵工程与传统酿造和化学工程相比的特点。
一.与传统酿造相比:1.发酵过程以生命体自动调节方式进行2.条件温和,耗能少,设备简单3.原料以碳水化合物为主4.容易生产复杂的高分子化合物5.发酵过程中需要防止杂菌污染,要严格灭菌二.与化学工程相比:1.常温常压反应2.原料无毒,很多发酵行业生产比较粗放3.遵循生物代谢规律4.较易生产复杂的高分子化合物5.发酵液下游提取常需预处理6.注重发酵过程染菌的防止7.育种是提高产量的重要途径5.发酵工程存在的问题(1)转化率低、副产物多和下游提取困难(2)中游监控难,菌种易变异(3)原料质量波动大(4)规模放大困难;发酵废液处理困难6. 发酵罐的分类按微生物生长代谢需要分类:分为好氧和厌氧二类按照发酵罐设备特点分类:分为机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐按容积分类:实验室用(1~50L)中试用(50~5000L)生产用(5000L 以上)按微生物生长环境分类:悬浮生长发酵罐和支持生长发酵罐发酵罐的特征径高比适当;耐压性能合格;搅拌系统和通风系统合格尽量减少死角;有足够的冷却面积;轴封无渗漏7.通用型机械搅拌通气发酵罐为发酵工厂最常用的发酵罐,特点是由压空系统负责通气,机械搅拌系统机械搅拌。
缺点是能耗较大,机械剪切力较大,容易产生死角。
8.发酵优化的定义,目的,内容发酵过程优化定义发酵过程的优化是指最佳控制发酵过程(指其某一项或几项主要参数)的方案和方法。
发酵过程优化目的协调细胞到反应器各尺度的相互关系,从而使发酵过程更有效的进行。
酵母菌的酒精发酵

2、碱法甘油发酵
酒精酵母 酵母的第Ⅲ型发酵
如果碱性(pH值7.6以上) 两分子乙醛发生歧化反应形成各一分子的乙酸和乙醇。 2C6H12O6+H2O 2C3H5(OH)3+CH3COOH+ C2H5OH + 2CO2
产物复杂
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五、甲烷(沼气)发酵
甲烷发酵的机理是厌氧菌将碳水化合物、脂肪、蛋白质 等复杂的有机物最终分解成甲烷和CO2。
乳酸对糖的转化率理论上只有50%。
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四、甘油发酵机制
H2C OHCH OH H2来自 OH甘油 (丙三醇)
良好溶剂,广泛用于化妆品和医药行业;炸药。
1、亚硫酸盐法甘油发酵 酵母菌 酵母的第Ⅱ型发酵
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乙醇脱氢酶
发酵液中加入亚硫酸氢钠(NaHSO3)
OH
亚硫酸钠加成物 ( CH3CHOSO2Na) ▲原理:阻遏乙醇的生物合成
2ATP 2ADP 3-磷酸甘油醛 2NAD 2NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 4ADP
1、同型乳酸发酵
乳酸菌 德氏乳杆菌
丙酮酸
4ATP
NADH+H+
大多数乳酸菌不具有脱羧酶
乳酸
乳酸脱氢酶
NAD
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总反应式为:
C6H12O6+2ADP+2H 3PO4 2CH3CHOCOOH+2ATP
理论转化率为:
复杂有机物 发酵细菌 可溶性简单有机物 产酸菌 低级脂肪酸 (醋酸、丙酸、丁酸等) 产气菌(严格嫌气菌) CO2等 甲烷、 产酸阶段(兼性厌氧)
三阶段
废物利用
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第二节
好氧发酵机制与代谢调控
一、柠檬酸发酵机制
《微生物学》题库第七章微生物的生长及其控制

《微生物学》题库第七章微生物的生长及其控制第一部分微生物生长部分一、单项选择题1、菌株的定义应该是()。
A.具有相似特性的细胞群体B.具有有限的地理分布的微生物群体C.从一单独的细胞衍生出来的细胞群体D.与种(species)一样定义2、微生物的干重一般为其湿重的()。
A.5%~10%B.20%~25%C.25%以上D.10%~20%3、用于总活菌计数的方法是()A.浊度计比浊法B.血球板计数法C.平板菌落计数法D.显微镜直接计数法4、下列不属于微生物直接计数法特点的是()A.必须利用显微镜计数B.可以区分活菌与死菌C.不能区分活菌与死菌D.计数室都是400小格组成5、一个细菌每10分钟繁殖一代,经1小时将会有多少个细菌()A.64B.32C.9D.16、代时是指()。
A.从对数期结束到稳定期开始的间隔时间B.培养物从接种到开始生长所需要的时间C.培养物的生长时间D.细胞分裂繁殖一代所需要的时间7、微生物分批培养时,下列符合延迟期的特点是()。
A.微生物的代谢机能非常不活跃B.菌体体积增大C.菌体体积不变D.菌体体积减小。
8、制备原生质体,选择适宜的菌龄期为()A.迟缓期B.对数期C.稳定期D.死亡期。
9、下述那个时期细菌群体倍增时间最快()A.稳定期B.衰亡期C.对数期D.延滞期10、细菌芽孢产生于()A.对数生长期B.衰亡期C.稳定期前期D.稳定期后期正确答案:D11、处于()的微生物,死亡数肯定大于新生数。
A.适应期B.对数期C.稳定期D.衰亡期12、指数期细菌的特点是()A.细胞以指数速度死亡B.细胞准备开始分裂C.细胞以最快速度进行分裂D.细胞死亡数和分裂数相同13、细菌最适生长温度是()℃A.35-40B.10-20C.20-30D.30-3514、真菌最适生长温度是()℃A.35-40B.10-20C.20-30D.30-3515、微生物生长繁殖的最高温度是()。
A.最高生长温度B.最适生长温度C.致死温度D.无法判断16、下面关于微生物最适生长温度判断,正确的是()A.微生物群体生长繁殖速度最快的温度B.发酵的最适温度C.积累某一代谢产物的最适温度D.无法判断17、将土壤接种在含放射性碳的葡萄糖培养基中,5天后检查,下列那种情况证明土壤中有生命()。
发酵工程 重点

微生物工程微生物工程是研究微生物生长、繁殖及代谢活动、代谢产物合成及其控制规律的科学。
营养缺陷型突变株(auxotrophic mutant):指在微生物生长过程中,因产品合成途径中某种酶缺陷,而不能生成终产物,只能生成中间代谢物,必须添加终产物,微生物才能生长的突变株。
调节突变株(adjustable mutant):指菌株因受外界条件影响,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。
种子扩大培养种子扩大培养是指将保存在沙土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后,再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量的纯种的过程。
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;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;培养基是指供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;前体在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消毒用物理或化学的方法杀死物料、容器器皿内外病原微生物的过程,一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢;灭菌(sterilization):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。
发酵机制:是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。
初级代谢:初级代谢是指微生物合成它们在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:次级代谢是指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。
发酵动力学:是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最低培养基:即培养基是由单一碳源葡萄糖与无机盐组成,这时葡萄糖在微生物生长代谢过程中既作为生长代谢过程中所需要的能源,又作为构成菌体材料的培养基。
生化工艺 第七章 典型产品生产工艺 第三节氨基酸生产工艺

1.氨基酸的分类 按氨基酸分子中所含氨基和羧基数目不同分为: (1)酸性氨基酸 天门冬氨酸、谷氨酸。 (2)碱性氨基酸 组氨酸、赖氨酸、精氨酸。 (3)中性氨基酸
第三节 氨基酸生产工艺
①脂肪族氨基酸 甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮 氨酸。
②羧基氨基酸 丝氨酸、组氨酸。 ③含硫氨基酸 半胱氨酸、胱氨酸、蛋氨酸。 ④芳香族氨基酸 苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸。 其它还有杂环氨基酸、脯氨酸、羟脯氨酸。 按氨基酸在人体内是否能被合成,分为: (1)必需氨基酸 指人体内不能合成或合成的速度不能满足 机体需要的氨基酸。异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯 丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸为必需氨基酸。 (2)非必需氨基酸 除上述八种必需氨基酸外,其它均属非 必需氨基酸。
第三节 氨基酸生产工艺
生产上控制pH值的方法一般有两种:一种是流加尿 素,一种是流加氨水。国内普遍采用前一种方法。流加 尿素的数量和时间主要根据pH值变化、菌体生长、糖耗 情况和发酵阶段等因素而定。例如:当菌体生长和糖耗 均缓慢时,发少量多次地流加尿素,避免pH值值过高而 影响菌体生长;当菌体生长和糖耗均快时,流加尿素可 多些,使pH值适当高些,以抑制生长;发酵后期,残糖 很少,接近放罐时,应尽量少加或不加尿素,可以使pH 值稳定,对发酵有利。流加氨水,因氨水作用快,对pH 的值影响大,故应采用连续流加。
第三节 氨基酸生产工艺
当菌体生长基本停止就转入谷氨酸合成阶段。此时菌 体浓度基本不变,糖与尿素分解后产生的α-酮戊二酸和 氨主要用来合成谷氨酸。这一阶段,为了提供谷氨酸合成 所必需的氨及维持谷氨酸合成最适宜的pH=7.2~7.4必须 及时流加尿素,又为了促进谷氨酸的合成需加大通气量, 并将发酵温度提高到谷氨酸合成的最适宜温度34~37℃。
发酵机制

1:什么是莫诺方程?其中饱和常数k值的物理意义?μ=μmax S/(Ks+ S)μ:菌体的生长比速S:限制性基质浓度Ks:半饱和常数μmax:最大比生长速度Ks的物理意义:当比生长速率为最大比生长速率的一半时,Ks在数值上等于限制性营养物的质量浓度,其大小表示微生物对营养物质吸收亲和力的大小,即Ks最大,微生物对营养物的亲和力越小。
2:分批培养发酵中,菌体的生长规律是什么?在分批培养发酵中,随着细胞浓度和代谢浓度的不断变化,主要分为四大阶段:1.)延滞期:活菌数没增加,曲线平行于横轴,特点:生长速率常数= 0;细胞形态变大(长);细胞内RNA特别是rRNA含量增高;合成代谢活跃,易产生诱导酶;对外界不良条件敏感2.)对数期:细胞数目以几何级数增加,其对数与时间呈直线关系。
即生长速率常数最大;平衡生长;代谢最旺盛;对理化因素较敏感3)稳定期①细胞增殖与死亡数几乎相等,细胞数达最高值;②开始积累内含物或产芽③开始合成次生代谢产物4.)衰亡期①出现“负生长”;②细胞出现多形态变化;③菌体死亡、自溶孢;3:什么是分批发酵?有什么优缺点?定义:在一个密闭系统内一次性投入有限数量的营养物进行培养的方法。
优点:操作简单;引起染菌的概率低;不会产生菌种老化和变异等问题。
缺点:非生产时间较长,设备利用率低;4:什么是补料分批培养?有什么优缺点?其是指在分批发酵过程中,间歇或连续的补加新鲜培养基的发酵方式。
优:使发酵系统中维持很低的基质浓度;和连续发酵比,不需要严格的无菌条件;不会产生菌种老化和变异等问题。
缺:存在一定的非时间生产;和分批发酵比,中间要流加新鲜培养基,增加了染菌的危险。
5:什么事连续发酵,有什么优缺点?其是在开放系统中进行的,指以一定的速率向发酵罐内添加新鲜培养基,同时以相同的速率流出培养液,从而使发酵罐内的液量维持恒定,使培养物在恒定的状态下生长的培养方法。
优:提供了一个微生物在恒定状态下高速生长的环境,便于进行微生物代谢,生理生化和遗传特性的研究;在工业生产中可减少分批培养中每次清洗,装料,消毒,接种,放罐等操作时间,提高生产效率和自动化程度;连续培养生产出的发酵产品,质量比较稳定。
微生物工程名词解释

菌种退化:菌种的发酵能力降低、繁殖能力降低、发酵产品的得率降低。
种子扩大培养:是指将保存在沙土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种经转接到试管斜面活化后,再经扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。
这些纯培养物则称为种子。
前体:指某些化合物加入到发酵培养基中,能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去,而其自身的结构没有多大的变化,但产物的产量却因加入前体而有较大的提高。
促进剂:指那些既不是营养物又不是前体,但却能提高产量的添加剂。
抑制剂:在发酵过程中加入某种试剂会抑制某些代谢途径的进行,同时会使另外一些代谢途径活跃,从而获得人们所需要的某种产物或使正常代谢的某一代谢中间物积累起来的物质。
发酵机制:微生物通过其代谢活动,利用基质(底物)合成人们所需要的代谢产物的内在规律初级代谢产物:微生物因生长和繁殖需要而合成的必须的物质,包括糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸、以及由这些物质聚合而成的高分子化合物,如多糖、蛋白质等。
次级代谢产物:指微生物由初级代谢产生的中间产物出发合成的一些功能不明确、化学结构特殊、对细胞的生长繁殖并非重要的产物,包括抗生素、色素和毒素等。
巴斯德效应:在厌氧条件下,向高速发酵的培养基中通入氧气,则葡萄糖消耗减少,抑制发酵产物积累的现象称为巴斯德效应。
即呼吸抑制发酵的作用。
分解代谢物阻遏:指细胞内同时有两种分解底物存在时,利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶系合成的现象。
维持:活细胞群体在没有实质性生长和繁殖(或生长和死亡处于动态平衡状态),也没有胞外产物生成情况下的生命活动。
生长得率:表示在发酵中微生物的生长相对于基质或能量消耗的效率。
过程得率:又称毛产物得率或基质(原料)转化率。
一般以发酵过程的产物生成量对基质总消耗量的比值表示。
分批培养:又称分批发酵,是指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。
补料分批培养:又称半连续培养或半连续发酵,是指在分批培养过程中,间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。
《柠檬酸发酵机制》课件

厌氧条件
微好氧条件
在微好氧条件下,微生物通过好氧糖 酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸,再 经过一系列生物化学反应生成柠檬酸 。
在厌氧条件下,微生物通过糖酵解途 径将葡萄糖转化为丙酮酸,再经过一 系列生物化学反应生成柠檬酸。
柠檬酸发酵的原理
01
糖酵解途径
在厌氧条件下,微生物通过糖酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸的过程。
医药行业
用于生产抗生素、解热镇痛药等。
其他领域
如环保、化妆品等。
柠檬酸发酵的发展趋势
高效发酵技术
环保生产
通过优化发酵工艺和提高菌种性能,提高 柠檬酸产率。
减少柠檬酸生产过程中的环境污染,实现 绿色生产。
生物工程技术的应用
市场需求变化
利用基因工程和代谢工程手段,改良菌种 性能,提高发酵效率。
随着人们对健康和环保意识的提高,对天 然、健康的食品添加剂需求增加,柠檬酸 作为天然食品添加剂的市场前景广阔。
实验操作步骤与注意事项
菌种接种与培养
按照规定的操作步骤,将菌种接种到培 养基中,控制好温度、湿度、pH等培 养条件。
取样与检测
在发酵过程中按规定时间间隔取样, 检测柠檬酸含量等指标,记录数据。
发酵罐操作
启动发酵罐,控制好罐内压力、温度 、溶氧等参数,确保发酵过程顺利进 行。
异常情况处理
如发现异常情况,如菌种退化、发酵 异常等,应及时采取措施处理,并记 录实验过程。
营养物质的消耗
随着菌体生长和产物生成,发 酵液中的营养物质如葡萄糖逐 渐被消耗。
代谢产物的积累
在适宜的条件下,柠檬酸等代 谢产物在发酵液中积累。
发酵过程控制的方法和策略
温度控制
保持适宜的发酵温度,有利于菌体生 长和产物生成。
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2)碳源的有氧分解
有氧分解葡萄糖时,出现异常代谢,就有可能导致 代谢途径中某一中间产物的积累,而成为人类所需的发 酵产品。在发酵工业中,如柠檬酸发酵,谷氨酸发酵以 及很多的抗生素发酵生产,就是人为干扰微生物菌体内 葡萄糖分解代谢,而造成一些中间产物或次级代谢产物 的积累。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢
微生物发酵 主要产品
微生物 菌体
微生物酶
微生物 代谢产物
微生物的 生物转化
厌氧发 酵产物
好氧发 酵产物
酒精
丙酮丁醇
氨基酸
蛋白质
柠檬酸
核苷酸
抗生素
ATP 葡萄糖 ⑴
己糖激酶
ADP
⑵
葡萄糖-6-磷酸
乳酸
+ ⑿ +2H
果糖-6-磷酸 乙醇 ⒁ 2NAD+
磷酸果糖 激酶
⑶
ATP Mg2+ ADP
果糖-1,6-二磷酸 ⑷ 二羟丙酮 ⑸ 甘油醛3-磷酸 磷酸
1)糖酵解(EMP)途径是单糖分解的一条重要途径 它存在于各种细胞中,它是葡萄糖有氧、无氧分解 的共同途径。
2)EMP途径的每一步都是由酶催化的,其关键酶有 已糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。
3)当以其他糖类作为碳源和能源时,先通过少数几 步反应转化为糖酵解途径的中间产物,这时从葡萄 糖合成细胞组成成分的标准反应数序列同样有效。
1 微生物发酵机理
1.2 厌氧发酵产物的合成机制
绝大多数微生物都能利用葡萄糖作为能源和碳源。 因此,葡萄糖的分解代谢、能量转化规律,具有 生物学意义。 糖酵解(glycolysis):葡萄糖经过1,6二磷酸果糖生
成3-磷酸甘油醛, 3-磷酸甘油醛再降解生成丙酮酸并产 生ATP的代谢过程称为糖降解。
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制 糖酵解的特点:
自养微生物对CO2的固定
卡尔文循环(Calvin cycle) 还原性三羧酸循环途径
厌氧乙酰-CoA途径 羟基丙酸途径
卡尔文循环(Calvin个核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将 3个CO2固定,并转变成6个3-磷酸甘油酸分子。 还原反应
Purple Nonsulfur Bacterial Photosynthesis
Green Sulfur Bacterial Photosynthesis
化能自养微生物的能量代谢
CO2为主要或唯一碳源,以还原态无机 化合物(NH4+、NO2-、H2S、H2和Fe2+ 等)的生物氧化获得能量和还原力[H]的 微生物称为化能自养微生物。 氢细菌 硝化细菌 硫细菌 铁细菌
糖酵解途径(EMP途径)从葡萄糖到丙酮酸共有十步 反应,分别由十种酶催化。分为三个阶段: 1)由葡萄糖到葡萄糖经过1,6二磷酸果糖,该过程包 括三步反应,是需能过程,消耗2个分子ATP。
2) 1,6二磷酸果糖降解为3-磷酸甘油醛,包括两步 反应。 3) 3-磷酸甘油醛经过5步反应生成丙酮酸,这是氧化 产能步骤。
分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂的
大分子 的过程。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 微生物的碳素营养物质主要包括淀粉、纤维素、 半纤维素、几丁质和果胶多糖类及其水解产物,其 中最重要的是淀粉(?)及其水解产物——葡萄糖。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢 一、微生物对培养基中碳源的代谢 1)碳源的厌氧分解 兼性和专性厌氧菌均能在无氧的条件下,对葡萄 糖进行分解,并可生成多种多样的代谢产物。正是 利用微生物的这些转化特性,形成了许多工业发酵
产品,如酒精、乳酸、丙酮与丁醇等。
1 微生物发酵机理
1.1 微生物基础物质代谢
一、微生物对培养基中碳源的代谢
发 酵 工 程
第五章 第六章 第七章 第九章 第十章 第十一章
第八章 发酵动力学
第十二章 展望
第七章 微生物发酵机制
1 微生物基础物质代谢 2 厌氧发酵产物的合成机制
3 好氧发酵产物合成机制
微生物发酵机理:是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。 发酵机理研究的内容: 研究微生物的生理代
发酵工程
南阳师范学院 生命科学与技术学院
2009-2010
http://211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm
第一章
第二章 第三章
发酵工程总论
发酵设备 发酵工业原料及其处理
第四章
发酵工业灭菌
发酵菌种的制备 发酵工业放大 微生物发酵机制 发酵过程工艺控制 发酵染菌及防治 发酵工业废物、废水处理和资源化技术
microbes)
一切生命活动都是耗能反应,因此在微生物生理活 动中能量代谢是至关重要的。
微生物能量代谢的中心任务是:微生物如何把外界环境 中多种形式的最初能源转换成生命活动能使用的通用能 源—ATP。 研究微生物能量代谢的机制实质上就是追踪多种形式的 最初能源如何转化并释放出ATP的过程。微生物可以直 接从外界获得能量,还可以通过异化,将吸收进体内的 物质降解或氧化,从而获得能量。
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制
糖酵解的特点:
在缺氧条件下,细胞进行无氧酵解,仅获得有 限的能量以维持生命活动,丙酮酸继续进行代 谢可产生酒精、乳酸等厌氧代谢产品。
在有氧条件下,细胞进行有氧代谢生成丙酮酸 后,进入TCA循环,其发酵产品有柠檬酸、氨 基酸及其他有机酸等。
1 微生物发酵机理 1.2 厌氧发酵产物的合成机制
乙醇发酵
乳酸发酵
混合酸与丁二醇发酵 丙酮-丁醇发酵
不 同 发 酵 产 物
乙醇发酵 包括酵母型乙醇发酵和细菌型乙醇发酵两种 乳酸发酵 同型乳酸发酵:由葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸, 直接作为氢受体被NADH+H+还原而全部生成乳酸的 一种发酵。 异型乳酸发酵:发酵产物中除了乳酸还有一些乙醇 (或乙酸)和CO2 等的发酵。 混合酸与丁二醇发酵——以EMP途径为基础的发酵 产物中有多种有机酸的发酵。 丙酮-丁醇发酵 Stickland反应:以一种氨基酸作底物,而以另一 种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵 类型。
⑵ 磷酸葡萄糖异构(glucosephosphate isomerase) ⑶ 磷酸果糖激酶(phosphofructokinase) ⑷ 醛缩酶(aldolase) ⑸ 磷酸丙糖异构酶(triose phosphofructokinase) ⑹ 磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde phosphate dehydrogenase) ⑺ 磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase) ⑻ 磷酸甘油酸变位酶(phosphoglyceromutase) ⑼ 烯醇化酶(enolase) ⑾ 非酶促反应 ⑽ 丙酮酸激酶(pyruvate kinase) ⑿ 乳酸脱氢酶(alcohol dehydrogenase)
产能途径(四种)
EMP(Embden-Meyerhof-parans)途径
(糖酵解途径或二磷酸己糖途径)
HMP途径(Hexose monophosphate)途径 (磷酸戊糖途径或旁路)属循环途径 ED途径(Entner-Doundoroff)途径 (2-酮-3脱氧-6-磷酸葡糖酸裂解途径)
Stickland 反应
Respiration 呼吸
Aerobic respiration 有氧呼吸:以分子氧作为最终电子受体 的呼吸。
Anaerobic respiration 无氧呼吸:以氧以外的其他氧化型 化合物作为最终电子受体的呼吸。
巴斯德效应:由于葡萄糖在有氧呼吸中产生的能量要比在 发酵中产生的多,所以在有氧条件下,兼性厌氧微生物终止 厌氧发酵而转向有氧呼吸,这种呼吸抑制发酵的现象称为巴 斯德效应。 Respiration chain 呼吸链:指从葡萄糖或其他氧化型化合 物上脱下的氢(电子)经过一系列按照氧化还原势由低到高 顺序排列的氢(电子)传递体,定向有序的传递系统。
丙酮酸 ⑾ 2CO2
乙醛 +2H
+
烯醇式丙酮酸 2ATP ⑽
丙酮酸激 酶
2(NADH+H+)
⑹
2Pi
2ADP 磷酸烯醇式丙酮酸 ⑼ 2H2O 2-磷酸甘油酸
1,3-二磷酸甘油酸 ⑺ 2ADP 3-磷酸甘油酸 2ATP
糖酵解和酒精发酵的全过程
⑴ 己糖激酶(hexokinase)
TCA 三羧酸循环
Glycolysis 糖酵解途径
HMP途径
ED途径
TCA Cycle
发酵类型
由于在各种发酵途径中均有还原性氢供体—— NADH+H+产生,但产生的量并不多,若不及时将它们 氧化再生。葡萄糖分解产能将会中断,这样,微生 物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢 (电子)受体来接受NADH+H+和NADH +H+的氢(电 子),于是产生各种各样的发酵产物。 根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙 酸和琥珀酸发酵、丁酸发酵、丙酮-丁醇发酵、混合 酸与丁二醇发酵以及乙酸发酵等。主要讨论与四种 发酵途径有关的发酵。
3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛(通过逆向 EMP途径产生)。
CO2受体的再生
1个3-磷酸甘油醛通过EMP途径的逆转形成葡萄 糖,其余5个分子经复杂的反应再生出3个核酮糖1,5-二磷酸分子。
Calvin cycle
还原性三羧酸循环途径
4C
厌氧乙酰-CoA途径
羟基丙酸途径
Amphibolic
光合细菌类群 细菌光合色素 细菌光合作用
产氧光合细菌