微生物发酵机理(1)
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
第二章发酵工业微生物菌种制备原理和技术-PPT
筛选一些具有特殊性质得微生物时,需根据该微生物独特 得生理特性到相应得地点采样(极端环境)。如:
高温酶产生菌:温度较高得南方,或温泉、火山爆发处 及北方得堆肥中采集样品;
低温酶产生菌:寒冷得地方,如南北极地区、冰窖、深 海中采样;
耐压菌:海洋底部采样。 耐高渗透压酵母菌:通常到甜果、蜜饯或甘蔗渣堆积处
菌种纯化就是指在特定环境中只让1种来自同一祖先得微生物 群体生存得技术。
菌株分离、筛选虽为两个环节,但却不能绝然分开,因为分离中 得一些措施本身就具有筛选作用。工业微生物产生菌得筛选 一般包括两大部分:一就是从自然界分离所需要得菌株,二就是 把分离到得野生型菌株进一步纯化并进行代谢产物鉴别。
3、分离思路
从自然界筛选
B、采样季节:以温度适中,雨量不多得秋初为好。
C、采土方式:在选好适当地点后,用小铲子除去表土,取 离地面5-15cm处得土约10g,盛入清洁得牛皮纸袋或塑 料袋中,扎好,标记,记录采样时间、地点、环境条件等, 以备查考。为了使土样中微生物得数量与类型尽少变 化,宜将样品逐步分批寄回,以便及时分离。
别出来。
抗生素筛选
6、生产性能得测定
由于纯种分离后,得到得菌株数量非常大,如果对每 一菌株都作全面或精确得性能测定,工作量十分巨大, 而且就是不必要得。一般采用两步法,即初筛与复筛, 经过多次重复筛选,直到获得1～3株较好得菌株,供 发酵条件得摸索与生产试验,进而作为育种得出发菌 株。这种直接从自然界分离得到得菌株称为野生型 菌株,以区别于用人工育种方法得到得变异菌株(亦 称突变株)。
采样。如有人曾在花蜜中分离到一株能耐30%高糖得耐 高渗透压得酵母菌。
(3)含微生物样品得富集培养(优化得过程) ----施加选择性压力分离法
微生物发酵原理
微生物发酵原理
微生物发酵的基本过程包括生长阶段和产物生成阶段。
在生长阶段，微生物在
适宜的温度、pH值、营养物质和氧气等条件下进行生长，增殖数量。
而在产物生
成阶段，微生物开始产生有用的化合物，如酒精、醋酸、抗生素等。
这一过程是通过微生物的代谢活动完成的，包括糖类、脂肪类、氨基酸类等物质的代谢过程。
微生物在发酵过程中，会分泌酶类物质，对底物进行催化作用，从而产生所需的有机物。
微生物发酵的影响因素主要包括微生物菌种的选择、培养条件、底物种类和发
酵过程的控制等。
首先，微生物菌种的选择对发酵过程至关重要，不同的微生物对不同的底物有着特异的代谢途径和产物生成能力。
其次，培养条件如温度、pH值、氧气供应等也会直接影响微生物的生长和代谢活动。
此外，底物的种类和浓度也是影响微生物发酵的重要因素。
最后，发酵过程的控制包括对发酵罐内温度、搅拌速度、通气量等参数的调控，这些都会影响微生物的生长和产物生成。
微生物发酵在食品加工、药物生产和环境保护等领域有着广泛的应用。
在食品
加工中，酵母菌发酵可以产生酒精，细菌发酵可以产生酸奶、酸菜等食品。
在药物生产中，抗生素、酶类药物等大多是通过微生物发酵生产的。
此外，微生物发酵还可以用于废水处理、生物肥料制备等环境保护领域。
综上所述，微生物发酵原理是一种重要的生物化学过程，它涉及到微生物的生长、代谢和产物生成等方面。
了解微生物发酵的原理，有助于我们更好地利用微生物资源，开发新型的食品、药物和环境保护技术。
希望本文的介绍能够对读者有所帮助，谢谢阅读！。
酵母的第Ⅰ型发酵
酵母菌的酒精发酵又称酵母的第Ⅰ型发酵
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
11
三、乳酸发酵机制
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。
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四、甘油发酵机制
H2C OH CH OH
H2C 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 ( CH3CHOSO 2Na) ▲原理：阻遏乙醇的生物合成
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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
接吸收和代谢。补钾、抗凝血、柠檬酸钠。
（5）柠檬酸酯（三酯等）：树脂增塑剂（抗霉），化工原 料，药物等。
能被AMP、ADP活化
PEP
丙酮酸激酶受高水平 的ATP抑制，被FDP激活
9
习题：酵母可以依赖Glc厌氧或有氧生长，试解释当一直处 于厌氧环境中的酵母细胞暴露于空气中时，Glc的消耗速率 为什么会下降？
3. 酵母菌酒精发酵中副产物的生成
主要产物是乙醇和CO2，但也伴随有40多种副产物（包 括甘油和杂醇油）。副产物生成一方面耗用了糖分，同时 影响了产品的质量。
发酵过程优化与控制(原理部分)
16
大型发酵罐 搅拌装置
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现代发酵工程的主要研究内容
1.发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
18
第一章
绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制
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一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必 须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下 游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高 的生产强度(缩短发酵周期) 20
养或半连续发酵，是指在分批发酵过程
中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵
方法
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流加发酵的研究进展
在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究 几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为 主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加
1973年日本学者Yoshida等人首次提出了 “Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理 论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究 才开始进入理论研究阶段
11
基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再
第四章_微生物发酵动力学(1)
第四章微生物发酵动力学Kinetics of Microbial Fermentation微生物发酵动力学：是研究发酵过程中微生物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律的科学。
发酵动力学中的常用术语1.生长得率系数：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体干重(g)，=ΔX/ΔS。
Productivity即Yx/s2.产物得率系数：是指每消耗1g(或mo1)基质所合成的产物g数(或mol数)。
这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质=ΔP/ΔS。
量(S。
-S)。
Yp/s3.转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。
Conversion rate.4.基质比消耗速率(q s，g(或mo1)／g菌体·h)：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。
它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。
Specific consumption rate.5.比生长速率μ，(h-1):即单位重量菌体在单位时间内的增量g/(g·h), Specific growth rate.在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。
6．产物比生成速率(q p，g(或mo1)／g菌体·h)：系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。
Specific production rate.7．发酵周期：实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。
XS（底物）X（菌体）＋P（产物）第一节发酵类型固体发酵(浅层发酵、深层固体发酵)发酵液体发酵（表面发酵、深层发酵）1．固体发酵生产固体发酵生产是将纯种微生物接种、培养在固体培养基上，通过微生物的代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。
按物料和产物进出方式不同，可分为以下几种类型⑴分批培养（batch culture）指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行发酵的方法。
酵母发酵原理过程
酵母发酵原理过程酵母是一种单细胞真菌，在生物发酵过程中扮演着至关重要的角色。
它们能够利用碳源和能量源进行代谢，产生一系列的化合物，其中包括醇类、酸类和气体等。
酵母在食品、饮料、酿酒等行业中被广泛应用，为我们的生活带来了许多便利。
酵母发酵原理是指酵母微生物在适宜的条件下，利用碳水化合物进行代谢，产生乙醇和二氧化碳的过程。
这一过程不仅在日常生活中有着重要的应用，也在科研领域有着广泛的研究价值。
酵母发酵的过程主要包括四个阶段：缓慢增殖期、快速增殖期、平衡期和消减期。
在缓慢增殖期，酵母细胞处于愈伤组织状态，正在适应新环境；在快速增殖期，酵母细胞开始迅速增殖，产生大量的酒精和二氧化碳；在平衡期，酵母细胞数量趋于稳定，代谢活动逐渐减缓；最后是消减期，酵母细胞数量减少，发酵活动逐渐停止。
这四个阶段相互衔接，组成了一个完整的发酵过程。
酵母发酵的原理主要涉及到酵母细胞的代谢活动。
当酵母细胞处于适宜的环境条件下，能够利用碳水化合物作为底物进行代谢。
首先，酵母细胞通过糖酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸，产生少量的ATP；接着，丙酮酸进入丙酮酸氧化途径，在线粒体中氧化生成ATP；最后，乙醇脱羧，产生乙醇和二氧化碳。
这一系列的代谢过程产生了酵母发酵的产物。
为了获得高效的酵母发酵，我们需要控制发酵条件。
其中最为重要的因素之一是温度。
酵母在不同的温度下具有不同的生长速率和代谢活性，适宜的温度能够促进酵母的生长和发酵活动。
此外，pH值、氧气浓度、底物浓度等因素也会对酵母发酵产生影响。
在工业生产中，通过控制这些因素，可以实现酵母发酵的自动化和规模化生产。
除了常规的酵母发酵过程，近年来还出现了一些新的发酵技术。
比如，通过生物工程技术改良酵母的代谢途径，可以实现高效的酵母发酵产物合成；通过固定化酵母技术，可以提高酵母的稳定性和重复使用性。
这些新技术的出现为酵母发酵的应用提供了新的思路和方法。
总的来说，酵母发酵原理过程是一个复杂的生物化学过程，涉及到许多生物学、化学和工程学知识。
发酵工程原理知识点总结
发酵工程原理知识点总结发酵工程是一门研究微生物在发酵过程中生长、代谢和产物形成的工程学科。
其研究内容包括发酵微生物的筛选与培养、优化发酵条件、发酵过程监控与控制、发酵产物提取纯化与分离、罐内动力学和发酵机理等。
以下是发酵工程原理的相关知识点总结：1.发酵微生物的筛选与培养：(1)选材原则：产物多、投资少、筛选简单、培养容易、操纵方便；(2)常用的微生物包括细菌、酵母、霉菌等；(3)需考虑微生物生长的条件，如pH、温度、氧气供应等；(4)历经菌种筛选、单菌菌种的分离和纯化、菌种的贮藏等步骤；2.发酵条件的优化：(1)pH的控制：不同微生物对pH的要求不同，可以通过酸碱控制剂来调节pH；(2)温度的控制：温度是细胞生长和代谢的重要因素，一般通过水浴或发酵罐内加热来实现温度控制；(3)氧气供应的控制：氧气是许多微生物生长和代谢必需的，可以通过氧气流量的调节或增加曝气器的表面积来提供充足的氧气；(4)发酵液的搅拌速度和离心速度：搅拌可增强氧气传递和培养液的混合，离心可实现发酵产物的分离和提纯；3.发酵过程监控与控制：(1)发酵过程中需要监测的重要指标包括微生物生长速率、酸碱度、氧气浓度、温度、发酵产物浓度等；(2)监控手段有离线分析法、在线分析法和非破坏性检测法；(3)通过对监测指标的控制，实现对发酵过程的控制与优化，如调节酸碱度、温度以及添加营养物质来提高产量和产物质量；4.发酵产物的提取纯化与分离：(1)通过离心和过滤等物理方法，去除微生物和固体颗粒；(2)通过萃取、渗析、蒸馏、结晶等方法来提纯产物；(3)产物的纯化和分离过程需要进行监测和控制，以确保产物的纯度和产量；5.罐内动力学和发酵机理：(1)罐内动力学研究微生物的生长和代谢过程，了解微生物在不同发酵过程中的特性；(2)通过建立数学模型，可以预测发酵过程中微生物产物的生成速率和浓度变化；(3)对发酵机理的研究有助于进一步优化发酵条件，提高产物的产量和质量；以上是发酵工程原理的一些主要知识点总结。
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抗反馈调节突变菌株与营养突变菌株比较：
1.不受培养基中营养成分的限制，生产稳定； 2. 易于筛选 3.可有效防止回复突变，易于保存
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对于分支合成途径使用抗性突变菌株要和营 养缺陷型结合育种，才会得到更高的产量。
葡萄糖
反馈抑制
赖氨酸 Met -
甲硫氨酸
Lys- 天冬氨酸
AK 天冬氨酸磷酸
9
2. 渗漏缺陷型(leaky mutant):
一种不完全遗传障碍营养缺陷型， 能够自己合成某一代谢终产物但达不到 反馈调节的浓度，所以不会造成反馈抑 制而影响中间代谢产物的积累。 与营养缺陷型的区别？
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（二）抗反馈调节突变菌株的应用
抗反馈调节菌株：对反馈抑制作用不敏感， 或对反馈阻遏有抗性，或二者兼而有之的 菌株。
HD
高丝氨酸
AHVr
苏氨酸教学ppt
反馈阻遏
黄色短杆菌 的苏氨酸合 成途径
16
抗代谢类似物的筛选方法
不含结构类似物 含结构类似物
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3.抗分解阻遏突变体的应用 例如：葡萄糖－脯氨酸，筛选抗分解阻遏突变体
利用葡萄糖类似物选育蔗糖酶、淀粉酶、 纤维素酶
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4.选育组成型突变株和超产突变株
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启动基因的突变增加RNA聚合酶和 DNA的亲和力，增加转录速率。
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（二）发酵条件的控制
1.添加前体绕过反馈控制点
(-)
A
B
C
(-)
D
(-)
E
F
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2. 添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，
最好的诱导剂往往不是该酶的底物，而是底
苯丙氨酸
结构类似物
S-（2氨基乙基）-L半 胱氨酸-(AEC)
-氨基--羟基戊酸 （AHV) 乙硫氨酸
D-精氨酸
对氟苯丙氨酸
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获得方法及其原理： 营养缺陷型回复突变菌株
出发菌株 营养缺陷型
催化亚基基因突变 催化和调节亚基均突变
催化亚基完全回复
催
化
亚
基
催化亚基未完全回复
回
复
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催 化 亚 基 和 调 节 回 14
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使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。 1. 用生理学手段—— 直接抑制膜的合成或使膜受缺损 如: 在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu； 控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性； 当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法； 再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是Mn2+； Mn2+的作用与 生物素相似。 2. 利用膜缺损突变株 ——油酸缺陷型、甘油缺陷型 如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸， 合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。 甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸 大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下， 也可以获得大量谷氨酸。
在培养过程中我们可以控制补加营养物质的
量也不造成反馈调节（阻遏或抑制）。
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2
如 A
BC
DE
限量添加E，就会造成C大量积累
枯草芽孢杆菌的精氨酸营养缺陷型，鸟氨 酸积累量可到到25g/L.
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3
F
G
A
B
C
DE
协同反馈
F
G
A
B
C
DE
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4
F
G
A
B
C
DE
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5
F
G
H
A
B
C
DEBiblioteka 教学ppt8肌苷酸生成菌株
PRPP
PRPP酰氨转移酶
IMP
PRPP－磷酸核糖基焦磷酸
IMP－肌苷酸 S-AMP－肌苷酸琥珀酸 AMP－腺嘌呤5`－单磷酸 XMP－黄苷酸
S-AMP AMP
XMP
GMP－鸟嘌呤5`－单磷酸
产量达13g/L
GMP
肌苷酸简介：很好的高效调味品，也是重要
的工业原料。
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如果调节基因发生突变，以至产生无效的阻遏物而 不能和操纵基因结合，或操纵基因突变，从而造成 结构基因不受控制的转录，酶 的生成将不再需要诱 导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏，这样的 突变株称为 组成型突变株。少数情况下，组成型突 变株可产生大量的、比亲本高的多的酶，这种突变 株称为超产突变株。
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组成型突变株
调节基因发生突变
产生无效的阻遏物而不 能与操纵基因结合
操纵基因突变
突变操纵基因不 能与阻遏物结合
结构基因不受控制地转录，酶的 生成将不再需要诱导剂或不再被 末端产物或分解代谢物阻遏。
组成型突变
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5.条件致死 例如在抗生素和酶制剂生产过程中的应用。
6.细胞膜通透性突变体的应用
第四节 代谢调节的人工控制
微生物的正常代谢不会使代谢产物过 量积累，发酵目的是尽可能多地积累代谢 产物，以此必须打破微生物的代谢调节机 制，使代谢产物大量积累。
方法
改变微生物的遗传学特性 控制发酵条件
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1
一 改变微生物的遗传学特性 （一）.营养缺陷型和渗透缺陷型突变菌株的应用
1.营养缺陷型：原菌株由于发生突变，致使 代谢途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失 了合成某种物质的能力，必须在培养基中 外源补加该营养物质才能正常生长的突变 菌株。
赖氨酸简介： 谷物中不含的必须氨基酸。
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6
谷氨酸棒状杆菌生产赖氨酸
天冬氨酸 天冬氨酸激酶（AK)
反
天冬氨酰磷酸
馈
抑 制
天冬氨酸半醛 高丝氨酸脱氢酶(HSDH) 异亮
赖氨酸
反 馈
高丝氨酸 氨酸
阻
遏
甲硫氨酸 苏氨酸
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7
利用谷氨酸棒状生产赖氨酸比利用大肠杆菌 的优势： （1） 不存在天冬氨酸激酶或天冬氨酸半 醛脱氢酶受阻遏的问题； （2） 赖氨酸分支的第一和第二个酶（双 氢吡啶二羧酸合成酶和双氢吡啶二羧酸还原 酶）不受赖氨酸的抑制或阻遏； （3）赖氨酸产生菌中缺少L-赖氨酸脱羧酶。
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7.增加有关基因的数量
增加结构基因或操纵基因的数量 例如，β－半乳糖苷酶、青霉素酶、氯
霉素转酰氨酶等可借助含有相应结构基因 的质粒转移给受体培养物来增加产量；利 用含有对苯丙氨酸的结构基因的转导噬菌 体可使该酶产量增加15倍。
通过操作基因与传统诱变技术和代谢调 控相结合提高产量。
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抗反馈抑制突变菌株的获得途径：
1.结构类似物抗性突变菌株
2.营养缺陷型回复突变菌株
获得方法及其原理： 结构类似物抗性突变菌株
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将接除了反馈抑制的突变菌株筛选出来
极少数
A`
大多 数
经过突变处理的菌株
A—某种氨基酸 A`—某种氨基酸的类似物
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12
目标产物 赖氨酸
苏氨酸
异亮氨酸 精氨酸