第八章 发酵机制及发酵动力学1剖析.ppt

第七章 发酵机制及发酵动力学 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。由于微生物的种类、遗传特性和环境条件不同，微生物所能积累的代谢产物不同，主要有微生物菌体、微生物酶和代谢产物。微生物代谢产物很多，主要有酒精、丙酮丁醇、有机酸、氨基酸、核苷酸类、蛋白质、抗生素、维生素、脂肪、多糖类等。 微生物具有极其精确的代谢控制系统，能确保细胞内所有生化反应有条不紊的进行并制止中间产物和终产物的过量积累。必须人为改变微生物的代谢调控机制，使有用中间代谢产物过量积累，同时利用环境因素对代谢方向产生影响，这就是发酵机制的研究内容。 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。其研究内容包括微生物生长过程中质量和能量的平衡，发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率的相互关系。研究发酵动力学的目的在于设计和优化发酵动力学模型，并以此为依据，利用计算机来设计程序，模拟最适合的工艺流程和发酵工艺参数，从而使生产控制达到最优化。 本章主要内容 第一节 发酵工业微生物的基本代谢和调控机制 一、发酵工程微生物的基本代谢及产物 （一）微生物初级代谢及产物 初级代谢是指微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。 初级代谢产物：由初级代谢过程所产生的产物，如糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由这些化合物聚合而成的高分子化合物（如多糖、蛋白质、酯类和核酸等）。 （二）微生物的次级代谢及产物 次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体物质，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物。 次级代谢产物大多是一类分子结构比较复杂的化合物，包括：抗生素、毒素、激素、色素等。 抗生素：是由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物。抑制细菌细胞壁合成，破坏细胞质膜，作用于呼吸链以干扰氧化磷酸化，抑制蛋白质和核酸合成等方式抑制微生物生长。 毒素：细菌毒素和真菌毒素。细菌毒素又分为内毒素和外毒素。 激素：微生物能产生刺激动物生长或性器官发育的激素类物质，称激素，如赤霉素、生长素等。 二、微生物的代谢途径及途径上相关物质的前体来源 （一）自养微生物的生物氧化、产能和CO2固定（略） （二）化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或失去电子三种；生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段；生物氧化的功能则有产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物三种。以下我们按底物（基质）脱氢的三个阶段以及各阶段的类型和细节的顺序来讨论化能异养微生物的生物氧化及其产能效应。 底物脱氢的四条主要途径——获得发酵产物的主要来源 1、EMP途径（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway） 2、HMP途径（hexosemonophosphatepathway） 3、ED途径（Entner-Doudoroffpathway） 4．三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle） 1、EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway） 由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 2、HMP途径（hexosemonophosphate pathway） 即已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径。 3、ED途径（Entner-Doudoroff pathway） 又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。 ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现。其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。 经ED途径发酵产生乙醇的过程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同，因此称作细菌酒精发酵。 利用Z.mobilis等细菌以生产酒精，是近年来正在开发的工业，它比传统的酵母酒精发酵有许多优点：（1）代谢速率高，（2）产物转化率高，（3）菌体生成少，（4）代谢副产物少，（5）发酵温度较高，以及（6）不必定期供氧等。当然，细菌酒精发酵也有其缺点，主要是其生长PH为5，较易染菌（而酵母菌为pH3），其次是细菌耐乙醇力较酵母菌为低（前者约为7.0％，后者则为8～10％）。 4．三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle） 又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。 这是一种循环方式的反应顺序，它在绝大多数异养微生物的氧化性