关于发酵机制及控制课件
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发酵调控PPT课件
6、选育△-6脱氢酶活力强的突变株 △-6脱氢酶是生物合成r-亚麻酸关键酶之一。其活性高低直接与r-亚麻酸含量的高低密切有关，可采用选育呼吸缺陷型相反的方法，即呼吸增强型，通过诱变后菌株涂在含有TTC的一种无色的氧化还原剂的生长培养基上，若△-6脱氢酶强，即可将TTC还原成红色的物质，红色越强，表明菌体细胞内△-6脱氢酶越强，r-亚麻酸的积累量也就越多。
三、产物降解酶缺失突变株
为了使产物在发酵液中稳定地存在，以提高发酵单位，可通过诱变获得缺乏降解产物酶的突变株，其方法是诱变处理后，如图所示：
四、增加前体物的合成
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体合成，有利于目的产物的大量积累。
（一）选育抗代谢类似物的突变株（Analogue Resistance Mutant）
通常微生物生长需要各种代谢物。如维生素、嘌呤、氨基酸等。在正常情况下，代谢终产物如氨基酸A过量存在时，就会抑制或阻遏它自身生物合成酶。同时也能整合到蛋白质中去。只有当氨基酸A 浓度足够高时，A与调节酶的调节部位或调节基因编码的阻遏蛋白结合，产生反馈抑制或阻遏作用。当细胞中的A参与蛋白质合成，而使细胞中A的浓度下降到一定程度时，A就会从调节酶的调节部位或阻遏蛋白上脱落下来，从而解除反馈调节，又重新可以合成新的A。当A的浓度再次上升到一定值时，反馈调节再次发生…….。
(二)高产r-亚麻酸 菌株的选育思路
图3-9 高产r-亚麻酸 菌株的选育思路
1、出发菌株 多采用被孢霉（Mortierella）毛霉（Mucor）红酵母（Rhodotorula）小克银汉霉（Cunninghamella）等产油脂高的真菌作出发菌株。
2、切断或减弱支路代 a-亚麻酸-、花生四烯酸-、二十碳五烯酸- 花生四烯酸L、二十碳五烯酸L
三、产物降解酶缺失突变株
为了使产物在发酵液中稳定地存在，以提高发酵单位，可通过诱变获得缺乏降解产物酶的突变株，其方法是诱变处理后，如图所示：
四、增加前体物的合成
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体合成，有利于目的产物的大量积累。
（一）选育抗代谢类似物的突变株（Analogue Resistance Mutant）
通常微生物生长需要各种代谢物。如维生素、嘌呤、氨基酸等。在正常情况下，代谢终产物如氨基酸A过量存在时，就会抑制或阻遏它自身生物合成酶。同时也能整合到蛋白质中去。只有当氨基酸A 浓度足够高时，A与调节酶的调节部位或调节基因编码的阻遏蛋白结合，产生反馈抑制或阻遏作用。当细胞中的A参与蛋白质合成，而使细胞中A的浓度下降到一定程度时，A就会从调节酶的调节部位或阻遏蛋白上脱落下来，从而解除反馈调节，又重新可以合成新的A。当A的浓度再次上升到一定值时，反馈调节再次发生…….。
(二)高产r-亚麻酸 菌株的选育思路
图3-9 高产r-亚麻酸 菌株的选育思路
1、出发菌株 多采用被孢霉（Mortierella）毛霉（Mucor）红酵母（Rhodotorula）小克银汉霉（Cunninghamella）等产油脂高的真菌作出发菌株。
2、切断或减弱支路代 a-亚麻酸-、花生四烯酸-、二十碳五烯酸- 花生四烯酸L、二十碳五烯酸L
微生物发酵及工艺控制课件
• 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
第13页，共60页。
• 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。
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。
第19页，共60页。
➢ 溶氧量
氧是细胞呼吸的底物，氧浓度的变化对细胞影响很大，也反
第8页，共60页。
• 灌流式发酵（Perfusion fermentation）是指菌体与培
养液一起装入发酵罐进行培养，在培养过程中一方 面不断补充新培养基，同时取出部分条件培养液， 但菌体仍然滞留在发酵罐内。灌流式操作，能及时 除去有害的代谢产物，并补充营养物质，满足了菌 体进一步生长的需求。通过调节灌流速度，可把菌
控制流加式操作的形式有两种，即反馈控制 和无反馈控制。
第7页，共60页。
• 半连续式发酵(Semi-continuous fermentation)又称反
复分批式或换液式补料发酵。是指菌体和培养液一起 装入发酵罐，在菌体生长过程中，每隔一定时间取出 部分发酵培养物（行业中称为“带放”），同时补充 同等数量的新的培养基，然后继续培养，直到发酵结 束，取出全部发酵液。与流加式操作相比，半连续式 操作过程发酵罐内得到培养液总体积保持不变，同样 可起到解除高浓度基质和产物对发酵的抑制作用。
发发酵机制与代谢调控PPT课件
第5页/共40页
第一节 厌氧发酵机制与代谢调控
• 一、酵母菌的酒精发酵 • 二、细菌的酒精发酵 • 三、乳酸发酵（同型、异型） • 四、甘油发酵（亚硫酸盐法、碱法）
第6页/共40页
第一节 厌氧发酵机制与代谢调控一、酵母菌的酒精发酵
• 1.乙醇生成机制
以丙酮酸脱羧产生的乙醛作为H受体产生乙醇。
丙酮酸脱羧酶
CH2OH
CH2OH
CH2OH
磷酸二羟丙酮
αC-磷H酸2甘O油H
OH
C6H12O6 + NaHSO3 → CHOH + C3CHOSO2Na +CO2
CH2OH
第22页/共40页
亚硫酸盐法甘油发酵
• 1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产生ATP，整个过程无ATP结余，可 见在甘油发酵过程中亚硫酸氢钠不能加太多，否则会使酵母菌因得不到能 量而终止发酵，必须留一部分酒精发酵，以便获得一些能量，供生命活动 所需。
CH2OH 3C6H12O6 + H2O → 2CHOH + C2H5OH + CH3COOH + CO2
CH2OH
第24页/共40页
五、丙酸和丁酸发酵
葡萄糖（EMP途径）
丙酸发酵：先经过EMP 途径，再经WoodWerk-man途径
乳酸←丙酮酸→草酰乙酸→苹果酸→富马酸→琥珀酸→丙酸 +CO2
乙酸+CO2
③磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化 酶
以下酶要弱
④顺乌头酸水合酶
⑤草酰乙酸水解酶
第28页/共40页
① ④
乙酰辅酶A
⑥ 乙醛酸 ⑦
2.柠檬酸积累的代谢调节
（1）糖酵解及丙酮酸代谢的调节
第一节 厌氧发酵机制与代谢调控
• 一、酵母菌的酒精发酵 • 二、细菌的酒精发酵 • 三、乳酸发酵（同型、异型） • 四、甘油发酵（亚硫酸盐法、碱法）
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第一节 厌氧发酵机制与代谢调控一、酵母菌的酒精发酵
• 1.乙醇生成机制
以丙酮酸脱羧产生的乙醛作为H受体产生乙醇。
丙酮酸脱羧酶
CH2OH
CH2OH
CH2OH
磷酸二羟丙酮
αC-磷H酸2甘O油H
OH
C6H12O6 + NaHSO3 → CHOH + C3CHOSO2Na +CO2
CH2OH
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亚硫酸盐法甘油发酵
• 1mol葡萄糖只产生1mol甘油，不产生ATP，整个过程无ATP结余，可 见在甘油发酵过程中亚硫酸氢钠不能加太多，否则会使酵母菌因得不到能 量而终止发酵，必须留一部分酒精发酵，以便获得一些能量，供生命活动 所需。
CH2OH 3C6H12O6 + H2O → 2CHOH + C2H5OH + CH3COOH + CO2
CH2OH
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五、丙酸和丁酸发酵
葡萄糖（EMP途径）
丙酸发酵：先经过EMP 途径，再经WoodWerk-man途径
乳酸←丙酮酸→草酰乙酸→苹果酸→富马酸→琥珀酸→丙酸 +CO2
乙酸+CO2
③磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化 酶
以下酶要弱
④顺乌头酸水合酶
⑤草酰乙酸水解酶
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① ④
乙酰辅酶A
⑥ 乙醛酸 ⑦
2.柠檬酸积累的代谢调节
（1）糖酵解及丙酮酸代谢的调节
发酵过程控制与优化ppt课件
参数，使有利于生
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
《车间发酵过程控制》课件
新型发酵设备如旋转式发酵罐、气升式发酵罐等，能够提 高发酵效率、优化发酵过程，促进微生物代谢产物的积累 。
环保和节能技术在发酵过程中的应用
环保技术
采用高效分离技术、生物处理技术等手段， 降低发酵废水的排放，减轻对环境的压力。
节能技术
利用热回收技术、余热利用技术等，降低发 酵过程中的能源消耗，实现绿色Байду номын сангаас碳生产。
详细描述
发酵是一种广泛应用的生物技术，通过微生物或酶的作用将有机物质转化为细胞 物质或代谢产物。根据发酵类型不同，可以分为厌氧发酵和好氧发酵，根据发酵 产物不同，可以分为酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等。
发酵的基本原理
总结词
发酵过程涉及到微生物的生长、代谢和繁殖等生物学过程，需要适宜的环境条件和营养物质。
菌种特性的发挥：通过 精确控制发酵条件，可 以促使菌种发挥最大的 生产潜力，提高目标产 物的产量和品质。
减少批次间差异：良好 的发酵过程控制可以降 低批次间的差异，使每 次发酵都能达到预期的 效果，从而减少产品批 次间的波动。
提高产物纯度：适当的 发酵条件可以降低杂质 的产生，提高目标产物 的纯度，这对于许多生 物制品的下游分离和纯 化过程至关重要。
06 案例分析
某公司车间发酵过程控制的成功经验
总结词
技术先进、管理严格、持续改进
详细描述
该公司在车间发酵过程控制方面采用了先进的技术和设 备，确保了发酵过程的稳定性和可靠性。同时，公司还 建立了完善的管理制度，对发酵过程进行严格的监控和 管理，及时发现和解决问题。此外，公司还注重持续改 进，不断优化发酵工艺和技术，提高生产效率和产品质 量。
自动化控制技术
通过自动化设备实现发酵过程的自动检测、 控制和调节，提高生产效率和产品质量。
发酵工艺控制课件
方法：采用较低浓度的基础培养基， 待菌体长到一定阶段，补入适当的营 养物质，延长发酵产物合成期。
意义：控制菌的生长速率、培养中期 的代谢活动，延长合成期，推迟菌体 自溶；加入前体增加合成产物的中间 体，从而使产量大幅度提高。
发酵工艺控制课件
中间补料内容 1、碳源
3、前体
2、氮源 4、无机盐和水
控制和引导产生菌在培养过 程中，特别ห้องสมุดไป่ตู้中期的生化代谢 活动向着有利于产物合成和分 泌的方向发展。发酵工艺控制课件
• 有些金属离子特别是二价阳离子是酶的 激活剂，适当时间补入无机盐可以提高 酶活，从而提高产量。
发酵工艺控制课件
中间补料的优缺点
优点：推迟菌的自溶期，延长产物分泌期， 维持较高的生产速率，增加发酵液总体 积，使产量大幅度上升。现在大多数抗 生素都采取补糖措施。
缺点：补糖使工艺复杂化，而且增加了 染菌机会。因此工厂管理十分重要，一 定要严格消毒，包括料液消毒和管道消 毒。
发酵工艺控制课件
并非添加速率越大越好，据研究表明，加 入苯乙酸浓度越高，苯乙酸的利用率越低。 苯乙酸可被菌氧化，先氧化成邻羟苯乙酸， 然后苯环被破坏形成α－酮戊二酸，再经 TCA循环氧化为CO2和H2O，苯乙酸作为碳 源被消耗掉。
苯乙酸具有毒性，青霉素是借苯乙酸与 氨基酸结合形成青霉素而解毒，因此加入 前体能形成青霉素，但必须适量而不能过 量。
分批培养中微生物的生长
迟滞期
对数生长期
稳 定期
发酵工艺控制课件
死亡期
第三节 发酵控制与中间补料
中后期营养不足，菌体过早衰老
补
料 初始培养基营养过于丰富造成菌浓过大
的
理 由
初始培养基中葡萄糖过多引起抑制
意义：控制菌的生长速率、培养中期 的代谢活动，延长合成期，推迟菌体 自溶；加入前体增加合成产物的中间 体，从而使产量大幅度提高。
发酵工艺控制课件
中间补料内容 1、碳源
3、前体
2、氮源 4、无机盐和水
控制和引导产生菌在培养过 程中，特别ห้องสมุดไป่ตู้中期的生化代谢 活动向着有利于产物合成和分 泌的方向发展。发酵工艺控制课件
• 有些金属离子特别是二价阳离子是酶的 激活剂，适当时间补入无机盐可以提高 酶活，从而提高产量。
发酵工艺控制课件
中间补料的优缺点
优点：推迟菌的自溶期，延长产物分泌期， 维持较高的生产速率，增加发酵液总体 积，使产量大幅度上升。现在大多数抗 生素都采取补糖措施。
缺点：补糖使工艺复杂化，而且增加了 染菌机会。因此工厂管理十分重要，一 定要严格消毒，包括料液消毒和管道消 毒。
发酵工艺控制课件
并非添加速率越大越好，据研究表明，加 入苯乙酸浓度越高，苯乙酸的利用率越低。 苯乙酸可被菌氧化，先氧化成邻羟苯乙酸， 然后苯环被破坏形成α－酮戊二酸，再经 TCA循环氧化为CO2和H2O，苯乙酸作为碳 源被消耗掉。
苯乙酸具有毒性，青霉素是借苯乙酸与 氨基酸结合形成青霉素而解毒，因此加入 前体能形成青霉素，但必须适量而不能过 量。
分批培养中微生物的生长
迟滞期
对数生长期
稳 定期
发酵工艺控制课件
死亡期
第三节 发酵控制与中间补料
中后期营养不足，菌体过早衰老
补
料 初始培养基营养过于丰富造成菌浓过大
的
理 由
初始培养基中葡萄糖过多引起抑制
发酵过程优化与控控制PPT课件
（一）运输过程 大多数细胞的细胞质外有两种结构：细胞壁和细胞膜，
这些结构是细胞的屏障。 细胞壁的主要功能是防止因胞内的高渗透压而引起细胞
破裂，细胞膜主要由磷脂组成，在细胞生长过程中，具有变 化的流动结构。大部分小分子很容易通过细胞壁，因此运输 过程主要取决于细胞膜，大分子物质只有在细胞具有特定的 排泄机制时才可以通过细胞壁运输。
培养基中存在的能够被微生物利用的化学物质均称为底 物，因此，底物可以是培养基制备时所添加的化学物质，也 可以是代谢产物或代谢中间体等物质。例如酿酒酵母的二次 生长现象，酵母以葡萄糖为底物生长的同时会产生乙醇，当 葡萄糖耗尽后，细胞能继续以乙醇为底物生长。
代谢产物是那些形成于细胞内，能够穿过细胞膜的物质， 它们可以被排泄进入非生物相。因此，代谢产物既可以是底 物经过多步反应形成的小分子物质，也可以是细胞产生的大 分子物质，如胞外蛋白酶。细胞质成分则是由底物形成的、 不能穿过细胞膜的物质，如蛋白质、RNA和DNA，一些小分 子如ATP、NADH以及NADPH也可以归为细胞质成分。
质子穿过膜的过程中会产生电化学势，将质子运输回 细胞（线粒体）内，就可以获得吉布斯自由能。质子的内流 是由参与了ATP合成的ATP酶传递的，其运输是可逆的，如 ATP酶也可以通过通过消耗ATP的方式将质子泵出细胞，这 也是一个一级主动运输过程。质子的运输过程如图2-1所示。
n0H+
膜
ATP酶
NADH+O2
2、协助扩散 细胞膜中存在许多转运蛋白，允许特定的化合物进行被 动运输，且比自由扩散通过细胞快得多，这一过程就是协 助扩散。真菌中这种运输机制是很典型的，在细菌中则比 较少见。 协助扩散与自由扩散相似，因为只有存在浓度梯度时， 由高浓度向低浓度的运输才可能发生。化合物在自由转运 物的存在下才能进入细胞，故运输速率遵循典型的饱和型 动力学，即：在低浓度下，运输速率与底物浓度呈一级关 系，而在高浓度时则呈现零级关系。真菌中通过协助扩散 的底物主要有葡萄糖和其它糖类。
发酵过程控制课件
最佳状态，从而最终实现目标值，达到最大的比产物生成速率。要实现最 佳工艺必须对诸如温度、pH、溶解氧浓度、泡沫等进行控制。
发酵工艺控制最优化
明确控制目标
明确影响因素
确定实现目标值的方法
确定最佳工艺
发酵过程控制课件
实施最佳工艺
第一节 温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温 度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～26oC生 长，嗜温菌适应于15～43oC生长，嗜热菌适应于 37～65oC生长，嗜高温菌适应于65oC以上生长
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量，
发酵过程控制课件
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温 度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生 长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡； 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度 非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温 度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加， 超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降， 最后停止生长，引起死亡。
发酵过程控制课件
2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能：(1)通过自然或诱导突变， 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比；(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和X一射线衍射分析表 明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加 强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底 物诱导产生催化作用
4 .6 log K r 2
E
K r1
11
T1 T2
K与温度有关
发酵工艺控制最优化
明确控制目标
明确影响因素
确定实现目标值的方法
确定最佳工艺
发酵过程控制课件
实施最佳工艺
第一节 温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温 度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～26oC生 长，嗜温菌适应于15～43oC生长，嗜热菌适应于 37～65oC生长，嗜高温菌适应于65oC以上生长
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量，
发酵过程控制课件
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温 度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生 长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡； 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度 非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温 度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加， 超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降， 最后停止生长，引起死亡。
发酵过程控制课件
2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能：(1)通过自然或诱导突变， 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比；(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和X一射线衍射分析表 明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加 强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底 物诱导产生催化作用
4 .6 log K r 2
E
K r1
11
T1 T2
K与温度有关
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❖ TCA一圈，即每分子乙酰辅酶A氧化，有：
2.5ATP*3 +1.5 +1 +2.5
总计：
2*（2.5ATP*3 +1.5 +1 +2.5 ）+ 2.5*2 +2=32ATP
3、HMP途径（磷酸戊糖途径）
将葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O，并有29分子的 ATP生成
特点：
（1）中间代谢产物中有，C7 、C5 、C4 有利于微生物 的合成代谢。
其产物是：丙酮酸 丙酮酸有氧氧化生成： 乙酰辅酶A 丙酮酸无氧代谢：脱羧，生成乙醛，乙醛还 原生成乙醇
2、TCA循环
❖ 丙酮酸在有氧的条件下，在丙酮酸氧化脱羧酶系 （脱氢酶）的作用下，氧化脱羧生成乙酰辅酶A （CH3-CO-SCoA ）
进入TCA循环，彻底氧化成CO2和H2O。总的反
应式： C6H12O6 = 6CO2 + 6H2O +32ATP
§4-3 柠檬酸发酵机制与代谢调控
一、行业简介 1.我国的柠檬酸发酵采用的菌种（黑曲霉）具
有双重功能 。 2.尽管采用边糖化边发酵的工艺，但发酵周期
只有64小时 。 3.柠檬酸的产酸速度大大地高于国外水平。平
均产酸速率是国外的2 倍。
❖
葡萄糖
❖
❖
丙酮酸 + 丙酮酸
乙酰辅酶A(CH3CO-CoA)
2、生产方法：
（1）天然油脂为原料：天然油脂 肥皂，废水 回收甘油
❖ 原烟台第二化工厂生产军用甘油，其副产 品……
（2）以丙烯为原料合成 ❖ 壳牌的氯化法，过乙酸法 （3）发酵法甘油生产：厌氧发酵、好氧发酵
3、我国发酵甘油在技术上与国外主要存在以
下差距：
（1）残糖高，…… （2）规模化较少，…… 4、我国甘油市场的构成与西方发达国家相比 也有较大的差异： ❖ 中国：涂料，49%；医药食品，10% ❖ 美国：涂料，10%；医药食品，54%以上
❖
❖ CO2固定反应
❖
草酰乙酸 +
❖
（柠檬酸合成酶）
❖
❖
❖
柠檬酸
二、柠檬酸的生物合成途径
用图示之：
特点：顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶酶 的活
性丧失或非常微弱
三、柠檬酸生物合成中的代谢调节与控制
1.磷酸果糖激酶（PFK）活性的调节
研究表明，微生物体内的NH4+，可以解除 柠檬酸对PFK的这种反馈抑制作用，在较高 的NH4+的浓度下，细胞可以大量形成柠檬酸， 那么NH4+浓度是如何升高的呢？
5、厌氧甘油发酵的缺点：
（1）碱性条件、无能量产生，导致菌体死亡
率较高，……。 （2）转化率较低。
三、甘油的好氧发酵
❖ 在甘油发酵过程中通风，以减少酵母细胞的 死亡率；另一方面，在适当的氧的存在下Байду номын сангаас 酵母细胞可以进行有限的有氧代谢，为其自 身的生长提供必需的ATP。
❖ 这种有限的好氧发酵，使得丙酮酸进行TCA 循环的同时，也增加了TCA循环过程中的许 多中间性产物，对于甘油的提取带来了不利 的影响。
Mn2+ 缺乏如何会使NH4+浓度升高呢？
外源氮源分解产生 氨基酸 菌体生长合成蛋白质）
氨基化合成氨基酸（消耗NH4+）
2.顺乌头酸酶活性的控制
该酶的丧失或失活是阻断TCA循环，大量 生成柠檬酸的必要条件。通常柠檬酸产生菌 体内该酶的活性本身就要求很弱，但在发酵 过程中仍需要控制它的活性。由于该酶的活 性受到Fe2+的影响，控制培养基中的Fe2+的 浓度，可以使该酶失活。
3、磷酸盐的调节作用
三、酵母菌的酒精发酵生产简介
§4-2酵母菌的甘油发酵
一、行业简介 1、应用 ❖ 化工领域：环氧氯丙烷，改性醇酸树脂、酚 醛树脂等 ❖ 医药工业：添加剂，润滑剂等 ❖ 食品工业：甜味剂、保湿剂，对风味也有独 特的影响 ❖ 在造纸、皮革、玻璃、化妆品等行业：约 1700多种产品需要。
CH2OH
OH
│
│
C6H12O6+NaHSO3 → CHOH + CH3- C - OSO2Na +CO2↑
│
│
CH2 OH
OH
3、碱法甘油发酵
双分子歧化反应 乙醛 + 乙醛 == 乙醇 + 乙酸
则，NADH没有受体，使得菌体的代 谢流 转向合成甘油的方向进行，从而生
产大量的甘油。
4、厌氧甘油发酵的能量和转化率的问题： 以葡萄糖为原料的甘油的厌氧发酵，产率不可 能突破50%的转化率。
二、甘油的厌氧发酵
1、酵母菌代谢合成机制
葡萄糖（磷酸化，葡萄糖激酶）
（磷酸果糖激酶） ATP
ATP
1,6—二磷酸果糖
3-磷酸甘油醛 醛缩酶
磷酸烯醇式丙酮酸
磷酸二羟丙酮
NADH
丙酮酸
NADH
NAD+ 乙 醛
α-磷酸甘油 （甘油激酶）
甘油
NADH
乙醇 （乙醇脱氢酶）
2、亚硫酸盐法甘油发酵
酵母菌在酒精发酵时，如加入亚硫酸氢钠等 盐类，它能与乙醛起加成作用，生成难溶的结 晶状亚硫酸纳加成物，这样就使乙醛不能作为 受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，在 α- 磷酸甘油脱氢酶（NAD为辅酶）催化下生 成α- 磷酸甘油，后者在α- 磷酸甘油磷酸酯酶 催化下生成α- 甘油。
关于发酵机制及控 制
§4-1 糖的代谢与调节
本节主要介绍糖代谢的几条代谢途径， 和其调节机制，并简单介绍糖代谢 厌氧发酵产物乙醇的发酵生产。
一、糖代谢的途径
糖代谢的主要途径有： 1、糖的酵解途径——EMP途径 2、TCA循环 3、HMP途径（磷酸戊糖途径） 4、ED 途径
1、糖的酵解途径——EMP途径
因此，能荷对糖代谢的调节是方向性的。
2、生物素的调节
生物素对糖代谢的调节与能荷的调节是不同 的，后者是对糖代谢流的调节，而生物素的 主要作用是对糖降解速率的调节，通常生物 素能够促进糖的EPM途径，对TCA循环也有 促进作用，对糖的HMP 途径也有促进作用， 但是，对上述三条途径的促进作用的大小却 不同，对EMP 途径的促进作用较大……。
（2）只有NADP参入氧化脱氢反应，可以产生大量的 NADPH
（3）是一条高产能的氧化途径。
❖ 反应式：C6H12O6 = 6CO2 + 6H2O +29ATP
4、ED 途径
常见的是细菌的ED途径，发酵生产乙醇。 反应式： C6H12O6 = 2丙酮酸 +2TP + NADPH + NADH 例如：在谷氨酸发酵中，
菌体生长期：EMP / HMP =38% GA 合成期：EMP / HMP =26%
二、糖代谢的调节机制
1.糖代谢的能荷调节 能荷 = [ATP] +1/2[ADP] / [ATP] +[ADP] +[AMP]
显然，能荷在0—1之间
❖ 糖原 ← 葡萄糖 → 产生ATP 关键酶 ： G 磷酸化酶
磷酸果糖激酶（PFK) 异柠檬酸脱氢酶 柠檬酸合成酶