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第七章发酵机制及发酵动力学

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发酵动力学

发酵动力学

40
0.31 129
64
0.43 148.8
102
0.53 192.5
S
μ
S/ μ
（mg/L ） （h-1）
122
0.60 203.3
153
0.66 231.8
170
0.69 246.4
221
0.70 311.3
210
0.73 287.7
44
S/ μ
做S/ μ-S
图
350
300
250
200
150
100
X X 0
m0tdt
X X e ln Xt mt
X0
t
mt
0
05年3月
发酵工艺原理
35
比生长速率的图解计算
ln Xt mt
X0
ln Xt mt ln X 0
几种不同微生物的μ max值
微生物
细菌 酵母 霉菌
培养温度（℃） μmax(h-1)
37
0.6～1.0
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
3
■发酵动力学研究内容
发酵动力学是以化学热力学（研究反应方 向）和化学动力学（研究反应速度）为基 础，对发酵过程的物质变化进行描述
4
具体内容
1. 微生物生长，死亡动力学； 2. 基质消耗动力学； 3. 氧消耗动力学； 4. CO2生成动力学； 5. 产物合成和降解动力学； 6. 代谢热生成动力学。
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：
Ks=0.02(kg/m3)
μ m=0.18(h-1)
计算举例

发酵动力学名词解释

发酵动力学名词解释

发酵动力学名词解释
发酵动力学是研究微生物在发酵过程中的生长、代谢和动力学行为的学科。

以下是一些常见的发酵动力学名词解释:
1. 比生长速率 (μ):每小时单位质量的菌体所增加的菌体量，是表征微生物生长速率的一个参数，也是发酵动力学中的一个重要参数。

2. 基质消耗动力学：指消耗单位营养物所生产的产物或细胞数量，可以通过确定菌体和基质之间的动力学关系来研究。

3. 最大比生长速率 (μmax):微生物在最优生长条件下的最大比生长速率。

4. 饱和常数 (Ks):表示微生物细胞浓度达到最大值时的营养物浓度。

5. 动力学参数 (kinetic parameters):用于描述微生物生长和代谢过程的一些参数，如比生长速率、饱和常数等。

6. 发酵热 (fermentative heat):在发酵过程中产生的热能，可以用于加热发酵液或产生蒸汽。

7. 非竞争性抑制剂 (non-competitive inhibitor):一种能够
与酶结合并抑制其活性的抑制剂，但其结合常数小于竞争性抑制剂。

8. 群体动力学 (population dynamics):研究微生物种群数量
的动态变化，包括菌落形成和灭绝、种群增长和衰退等。

这些名词解释可以帮助读者更好地理解发酵动力学的基本概念
和应用。

发酵动力学的概念和研究内容

发酵动力学的概念和研究内容

发酵动力学的概念和研究内容
发酵动力学是研究发酵过程中微生物生长和代谢的速率和规律
的科学，是微生物发酵工程的重要组成部分。

发酵动力学的研究内容包括发酵过程中的微生物生长动力学、底物代谢动力学和产物生成动力学。

微生物生长动力学是研究微生物在发酵过程中生长的速率和规律。

在发酵过程中，微生物对培养基中的营养物质进行吸收和利用，生长并繁殖。

微生物的生长速率受到多种因素的影响，如温度、pH值、氧
气浓度、营养物质浓度等。

通过实验和数学模型，可以了解微生物的生长速率与这些因素之间的关系，为优化发酵过程提供理论依据。

底物代谢动力学是研究微生物在发酵过程中对底物的利用速率和规律。

微生物通过代谢途径将底物转化为产物，同时产生能量和细胞所需的物质。

底物的利用速率受到微生物的生长速率和代谢途径的调控。

通过研究底物代谢动力学，可以了解微生物对底物的利用效率，为优化底物供应策略和产物生成提供指导。

产物生成动力学是研究发酵过程中产物的生成速率和规律。

在发酵过程中，微生物通过代谢途径将底物转化为产物。

产物的生成速率受到微生物的生长速率和底物的利用速率的影响，同时也受到产物对微生物生长的抑制效应。

通过研究产物生成动力学，可以了解产物的积累
速率和抑制效应，为优化发酵过程和产物纯化提供理论指导。

综上所述，发酵动力学的研究内容涵盖微生物生长动力学、底物代谢动力学和产物生成动力学三个方面，通过研究这些内容，可以深入了解发酵过程中微生物的生长和代谢规律，为优化发酵工艺和提高产物产量提供理论支持。

及发酵动力学

及发酵动力学
基础物质代谢 合成代谢－（获得能量后）合成自新物 质的反应
能量通过细胞内ATP进行传递和转移。 工业生产中, 分解己糖或烷烃可获得大量的细胞和产物，
是最重要的产物转化途径。
（六）微生物的次级代谢（p77）
次级代谢：是指存在于某些生物中，并在它们一 定的生长时期内出现的，以初级代谢产物为前体， 合成一些对微生物无明确功能的物质的过程。
浊度计比浊法： 测定稀的细胞悬液的透光量，间接测出细胞 数量的生长。 计数器计数法： 在显微镜下用血球计数器直接数出酵母菌或 霉菌孢子数目，以及用细菌计数片直接测出 细菌数的生长。
采用血球计数板测定细胞个数的程序
2、测定细胞重量
细胞干重称量法: 直接测定单位体积培养物的细胞干重，由
此代表菌体细胞物质总量的生长。 细胞堆积容积测量法:
用锥形刻度管测量经离心的细胞沉淀物的 容积，由此间接表示细胞重量的生长。 细胞组成分析法:
测定一种大分子的细胞组成(蛋白质、RNA、 DNA等)，间接地算出细胞重量的生长。
营养物消耗分析法: 测定培养基中不用于合成代谢产物的营
养物（磷酸盐、硫酸盐等）的消耗，由此 间接表示细胞重量的生长 。
产物重量分析法: 测定培养中途形成的二氧化碳、氢、ATP 等产物，由此间接地换算出细胞重量的生 长。
及发酵动力学
目的与要求：
熟悉微生物发酵机制。 了解微生物反应过程中的代谢调控理论。 掌握代谢控制发酵的基本方法，在实践中
实现代谢产物的过量生产。 熟悉微生物发酵动力学
本章内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
微生物的生长 微生物的基本代谢及产物 微生物代谢调控机制 微生物代谢产物的过量产生 微生物发酵动力学
它为生物提供能量、合成中间体及其关键大分子，如蛋 白质、核酸等的各种相互关联的代谢网络（包括分解与 合成），是生物体生长、繁殖必需的代谢。

7第七章-微生物发酵及工艺

7第七章-微生物发酵及工艺
当生长速率下降到零时，便进入生长稳定期 （静止期）。由于这一时期菌体代谢十分活跃， 有许多次级代谢物在此期合成。因此也被称为 生产期或分化期。
在分批培养过程中根据产物生成是否与 菌体生长同步的关系，将微生物产物形 成动力学分为与生长有联系的和与生长 无联系的类型。
化学工程和计算机应用的发展为发 酵工艺控制打下另一方面的基础，
研究发酵动力学，找出适于描述和真 正能反映系统的生化反应过程的数学模 型，通过现代化的试验与计算手段，相 信不久定能为发酵的优化控制开创一个 新的局面。
第一节 发酵的基本概念、基本类 型和发酵方式
A.发酵基本概念
B.发酵的基本类型
C.发酵方式 一、分批培养 二、补料分批培养（半连续培养） 三、连续培养
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
发酵工艺控制引言部分
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种本 身的性能，和合适的环境条件、才能使 它的生产能力充分表达出来。我们通过 各种研究方法了解有关生产菌种对环境 条件的要求，了解生产菌在合成产物过 程中的代谢调控机制以及可能的代谢途 径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。
而产物的形成很少或全无;在第二时期，产物以 高速度形成，生长也可能出现第二个高峰:碳源 利用在这两个时期都很高。因此，这一类型其 产物形成及菌体生长一般是分开的，从生长源 来看，这一类型发酵产物不是碳源的直接氧化， 而是菌体代谢的主流产物，所以一般产量较高。 也可以分为如下两类: ①产物的形成是经过连锁反应的过程，如丙 酮丁醇、丙酸等发酵。 ②产物的形成不经过中间产物的积累，如延 胡索酸、谷氨酸等。其菌体生长与 产物积累分在两个明显的时期，如柠檬酸。

发酵工程 第七章 发酵动力学

发酵工程 第七章 发酵动力学

分批发酵动 力学
➢ 细胞生长动力学 ➢ 基质消耗动力学 ➢ 产物形成动力学
分批发酵动力学-细胞生长动力学
微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细 胞数量在单位时间内的增加量来表示（μ、μn）：
1 X
dX 或
dt
n
1 N
dN dt
Xt X0et 或 Nt N0ent
X—细胞浓度（g/L）；N—细胞个数； t—生长时间； X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度；
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
(1)若不存在抑制物时
Monod 模型:
ms
Ks s
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。
① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ= µm ② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓
N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数； —以细胞浓度表示的比生长速率；
n—以细胞数量表示的比生长速率。
分批发酵动力学-细胞生长动力学
lag: x不变, 即 dx 0, 0
dt
exp:(假定无抑制作用存在)
m
m
1 x
dx dt
ln x ln x 0 m t
x e x 0 mt
分批发酵动力学-细胞生长动力学
第七章 发酵动力学
生物反应分类
一、通过细胞培养，利用细胞产生的酶系统，把培养基中的物
质转化成新的细胞及其代谢产物。
底物
细胞
新的细胞 + 代谢产物
二、在酶的作用下，底物反应生成产物。

发酵动力学

发酵动力学

dP dt
YP / X
dX dt
YP / X X
或
QP YP / X
根据细胞生长与产物形成的关系
非相关型
细胞生长时无产物；细胞停止生长后，则有大量
产物积累。产物的形成速率只与细胞积累量有关， 产物的合成发生在细胞停止生长之后，习惯上把这 类与细胞生长无关联的产物称为次级代谢产物。如 大多数抗生素和微生物毒素的发酵。
Contois方程式 前面的方程中都没有出现X，即菌体浓度。 当菌浓很高，发酵液黏度很大时，采用如下 方程 ：
u um s KX X s
其中KX是考虑了菌浓的饱和常数
多种底物现象
同时使用型 优先使用型
其它
K1s K2s
K1s s K2s s
K1
maxs1 s2
s1K2
s2
dX X
dt
营养物质限制生长微生物的典型生长形式 符合Monod方程
u um s Ks s
Monod方程
u um s Ks s
μ 为比生长速率(s-1)； μmax为最大比生长速率(s-1)， s为限制性底物浓度(g／L)。 Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率恰为最大比生长
max
s1 Ka1
s1Biblioteka s2 Ka2 s2
分批发酵-底物消耗动力学
实际产物得率与菌体生长得率的关系
-ΔS = (-ΔS)M + (-ΔS)G + (-ΔS)P
生长得率
YX / S
X S
理论生长得率
Ygs
X (S )G
同样，对于产物得率
实际产物得率
P YP / S S
理论产物得率 （产物最大得率）

发酵过程动力学的基本概念

发酵过程动力学的基本概念
最佳的发酵条件。
特点
流加发酵模型可以减少原材料 的浪费，提高发酵效率，但需 要精确控制流加速率和浓度。
应用
适用于大规模、长周期的发酵 生产，如某些酶制剂的生产。
分批补料发酵模型
定义
分批补料发酵模型是指在发酵过程中，反应物料分批 加入，以控制最佳的发酵条件。
特点
分批补料发酵模型结合了批式发酵和流加发酵的特点， 既可提高发酵效率，又可减少原材料的浪费。
此外，随着环保意识的提高，未来研究应关注发 酵过程的环保和可持续发展问题，探索如何降低 能耗、减少废弃物排放，实现绿色、低碳的生物 技术发展。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
发酵过程动力学的重要性
01
发酵过程动力学研究有助于深 入理解微生物生长、基质消耗 和产物生成的相互关系和变化 规律。
02
通过动力学模型，可以预测不 同操作条件下的发酵行为，为 发酵过程的优化和控制提供指 导。
03
动力学研究还有助于发现新的 发酵策略和工艺改进，提高发 酵效率和产物纯度，降低副产 物的生成。
未来研究方向
随着生物技术的不断发展，发酵过程动力学的研 究将更加深入和广泛，需要不断探索新的动力学 模型和方法，以适应不同类型和规模的发酵过程 。
针对不同微生物种类的发酵过程动力学研究也是 未来的一个重要研究方向，将有助于发现新的微 生物资源，拓展生物技术的应用领域。
未来研究应加强与计算机科学、数据科学等领域 的交叉融合，利用先进的数据分析技术和计算机 模拟技术，对发酵过程进行更加精准和深入的研 究。
1
通过优化补料策略，可以控制发酵过程中的物质 流和能量流，从而降低能耗和减少废气排放。
2
开发新型的传感器和控制系统可以帮助实现精确 的补料控制，从而降低能耗和减少废气排放。

发酵工程-发酵动力学培训课件

发酵工程-发酵动力学培训课件

1
批次发酵
学习批次发酵的原理，包括动力学模型和参数估计方法。
2
连续发酵
了解连续发酵的特点和优势，并探索连续发酵控制的方法。
3
半连续发酵
探索半连续发酵的工艺和操作策略，以及其在工业生产中的应用。
发酵控制和优化
生物反应器
过程监控
了解生物反应器的类型和设计原则， 探索发酵过程的监控方法，包括传 以及如何利用反应器控制发酵过程。 感器和数据分析技术。
发酵工程-发酵动力学培 训课件
发酵工程是一门重要的学科，涉及许多常见的发酵过程。在本课件中，我们 将介绍发酵动力学的基础知识和应用领域，并探讨发酵控制和优化的方法。
常见发酵工程
啤酒发酵
了解啤酒发酵的过程和控制方法， 包括酵母菌的选择和营养需求。
酸奶发酵
了解酸奶发酵的原理和加工过程， 以及如何控制酸奶的酸度和口感。
发酵动力学实验方法
培养基设计
学习设计适合发酵研究的培养基，并优化培养条件。
发酵动力学测定
探索测定发酵动力学参数的实验方法，包括生物量和产物测量。
模型建立与拟合
了解建立动力学模型和拟合实验数据的方法，以预测和优化发酵过程。
结论和总结
发酵动力学是发酵工程的核心内容，它的研究和应用对于提高发酵过程的效率和产物质量具有重要意义。
面包发酵
探索面包发酵的科学原理，包括酵 母菌的作用和面团发酵的条件。
发酵动力学基础知识
微生物生长
了解微生物在发酵过程中的生 长特性和限制因素。
底物转化
探索发酵过程中底物被微生物 转化为产物的机制和影响因素。
代谢调控
了解微生物代谢调控对发酵产 物生成的影响，并学习如何优 化发酵条件。

发酵工程-发酵动力学

发酵工程-发酵动力学
或
S S Ks
max max
这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物 的比生长速度，就可以通过回归分析计算出 Monod方程的两个参数。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据： S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ (h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70 求在该培养条件下，求大肠杆菌的μ max，Ks和
发酵动力学
一、分批发酵 分批发酵的操作最为简单，在培养基中接
种后只需维持一定的温度，对于好氧培养过程 则还需进行通气搅拌。向发酵罐内一次性投入 发酵培养基和菌种，中间除了空气进行和尾气 排出，与外部没有任何物料交换，放料后再重 复投料、灭菌、接种和发酵等操作。
采用分批发酵操作简单、周期短、染菌的 机会减少，而且生产过程、产品质量容易控制。 但分批发酵不利于测定其生长过程动力学，因 使用复合培养基，底物限制或抑制问题非常复 杂；对底物类型及初始浓度敏感的次级代谢物 如一些抗生素等不适合采用分批发酵。
maxS
Ks S
式中，μ max最大比生长速率，h-1；Ks为底物饱和
常数，g/L。
饱和常数Ks的物理意义是Ks为比生长速率等
最大比生长速率的一半时的底物浓度。 Monod方程的参数求解(双倒数法)：
将Monod方程取倒数可得：
1 1 Ks 1
max max S
dP X
dt
二、补料分批发酵
由于分批发酵中养分会很快耗竭，无法 维持微生物继续生长和生产，因此工业 发酵又发展了补料分批发酵技术（也称 为流加发酵）和连续发酵技术。
补料分批发酵是在分批发酵过程中 补入新鲜的料液，以克服由于养分的不 足而导致发酵过程的过早结束，延长对 数生长期，增加生物量。由于只有料液 的输入，没有输出，因此，发酵液的体 积在增加，到了一定时候即需结束培养， 或者将部分培养液取出，剩下的培养液 继续进行补料分批发酵。

微工第8章_发酵动力学1

微工第8章_发酵动力学1

若定义YX/S为基质对菌体的得率，即：
YX
/
S
dX
dS
dX dS
则： 1 m YG
而：
1 X
dS dt
1
dX
dS dX
1 YX / S
⇒
X dt
即有： 1 m 1
YX / S
YG
用μ-1对YX1/ S作图，也得直线
4、细胞物质生产过程中碳源的化学平衡
YX/S越接近YG，说明碳源转化为菌体的效率越高。 注意理解YX/S与YG的区别，（ YX/S<YG ）
底物：Substrate 产物：Product
M代谢过程中基质和产物之间的C素平衡 根据基质的变化情况可建立如下平衡关系：
CS = CX + CP + CCO2
如果用α1、α2、α3、α4表示基质、菌体、CO2、 产物中碳的含量(g碳/mol)
则，上述平衡也可表示为：
dS dt
1
dX dt
m
dS
P
dt dt dt dt
若用 YG —表示用于微生物生长的碳源对菌体 的得率常数； m — 表示微生物的碳源维持常数； YP —表示碳源对代谢产物的得率常数； 则有
dS
G
1
dX
dt YG dt
dS dt
m
mX
dS dt
P
1 YP
dP dt
Y：Yield
发酵动力学的研究内容
研究代谢规律及其影响因素 并建立其与影响因素的关联
动力学模型 反应器特性
操反 作应 模器 型的
第一节 微生物生长代谢过程中的质量平衡
一、微生物反应(生长代谢)过程中的碳平衡 微生物反应通式： 碳源＋氮源＋O2→菌体＋产物＋CO2+H2O

发酵机制及发酵动力学84页PPT

发酵机制及发酵动力学84页PPT
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
发酵机制及发酵动力学 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克

第7章 发酵动力学

第7章 发酵动力学

Yp / s＝ −∆∆PS
Yp/S——实际产物得率，g/mol ∆P ——产物生长量，g ∆S ——基质消耗量，g
(7-4)
其中
Yps＝
∆P （− ∆S） P
(7-5)
为理论产物得率
③ 实际得率与菌体生长速率的关系
基质消耗用于维持代谢，菌体生长，产物合成，即 －∆S= (－∆S)M +(－∆S)G +(－∆S)P 将上式除以∆X （ ∆X ﹥0）整理得
（3）微生物反应过程中，细胞形态、组成要经 历生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段，不同菌 龄，有不同的活性。 （4）发酵体系是多相体系，包括气相、液相和 固相； （5）发酵体系是多组分的：培养基中多种营养 成分，多种代谢产物，细胞内也具有不同生理功 能的大、中、小分子化合物。 （6）发酵过程细胞代谢是非线性，其过程用非 线性方程描述。 （7）发酵过程复杂的群体生命活动
CcHhOoNnPpSs +(c+0.25h-0.5 o+1.25n+1.25p+1.5s)O2→ cCO2+(0.5h-0.5n-1.5p-s)H2O+nHNO3+pH3PO4+sH2SO4 该化合物完全燃烧需氧量γ为 γ ＝0.25（4c+h-2o+5n+5p+6s）
(7-9)
② 燃烧热 ∆H0 = γ · ∆H0 o
(2) 类型Ⅱ 产物的形成间接与基质(糖类)的消耗 有关，例如柠檬酸、谷氨酸发酵等。 即微生物生长和产物合成是分开的，糖分既供应 生长所需能量，又充作产物合成的碳源。 但在发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速， 一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时 期。 如在用黑曲霉生产柠檬酸的过程中，发酵早期糖 被用于满足菌体生长，直到其他营养成分耗尽为 止；然后代谢进入使柠檬酸积累的阶段，产物积 累的数量与利用糖分数量有关，这一过程仅得到 少量的能量。

第七章_典型发酵过程动力学及模型

第七章_典型发酵过程动力学及模型
24
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
1.2 V1m 0.8 0.6 Vμ m /2 0.4 0.2 0 0K m 200 400 S 600 800 1000
1.2 V1m 0.8 0.6 V m/2 0.4 0.2 0 0K m 200 400 S 600 800 1000
5、发酵反应动力学的研究内容
研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联
反应动力学模型
+
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反应结 果的关系，定量地 控制反应过程
6 获取最大效益
6、已建立动力学模型的类型
机制模型： 根据反应机制建立
几乎没有 目前大多数模型 现象模型（经验模型）：
29提高基质浓度可明显提高细胞的生长速率max细胞的生长速率与基质浓度无关max当处于以上两种情况时max浓度增加到对生长无限制时细胞生长速率与限制性底物浓度的关系关系曲线monod方程仅适用于生长较慢的细胞此时细胞的生长才与基质浓度呈简单的线性关系
第六章 发酵过程动力学及模型
1
• 1949年，莫诺改变了间歇培养，建立了连续培养方 法，即以一定的速率不断地向混合均匀的发酵罐中 供给新鲜培养基，同时等量排除发酵液，维持发酵 罐中液量一定的培养方法。 • 理论上，连续培养可使培养无限迚行。连续培养中 微生物所处的环境如底物和菌体浓度、比生长速率 、pH等可维持稳定。因此，应用连续培养方法，使 用各种限制性培养技术，可以建立高选择性的培养 环境，从而为研究微生物对环境因子的响应、最佳 环境条件下获得最好的培养效果提供了独特的工具 和方法。
–对底物的细胞得率——YX/S （g/g） • 生成细胞的质量与消耗底物的质量之比 –对氧的细胞得率——YX/O （g/g） • 生成细胞的质量与消耗氧的质量之比 –对碳的细胞得率——YC • 一定小于1，一般在0.4-0.9之间，仅考虑 基质与细胞的共同项碳，比YX/S更为合理

发酵机制及发酵动力学

发酵机制及发酵动力学
同工酶是能催化同一生化反应，但它们的结构稍有不同，可分别被相应的末端产物抑 制的一类酶。
抑制
抑制
D
E
Y
E3
E1
A
B
C
E2
E4 F
G
Z
抑制
抑制
第17页，此课件共78页哦
末端产物Y和Z单独过量，对途径中第一个酶E1无抑制作用，只有Y 和Z同时过量，才能对E1具有抑制作用。另两个控制点的酶E2和 E3分别被Y和Z所抑制。
第23页，此课件共78页哦
二、微生物代谢调控机制
微生物在正常情况下，通过细胞内的自我调节，维持各个代谢途径的相互 协调，使其代谢产物既不缺少又不会过多的积累。而人类利用微生物进行发酵则需 要微生物积累较多的代谢产物，因此对微生物的代谢必须进行人工控制。
一、积累代谢产物的有效措施 （一）反馈抑制作用的解除：实质是使代谢途径中的关键酶（别构酶）的调
催化谷氨酸的分解
第7页，此课件共78页哦
（二）代谢流向的调控
2、由两种酶控制的逆单向反应
在生物体代谢的关键部位的某些反应，是由两种不同的酶来 催化的。即在一个“可逆”反应中，其中一个酶催化正反应 ，另一种酶则催化逆反应。
如： 葡萄糖+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
3、产物降解酶缺失突变株
4、细胞膜组分的缺失突变
1、代谢缺陷型菌株
直线型合成途径中的营养缺陷型突变株，这类菌株不能积累 末端产物，只能积累中间产物；
在分支代谢途径中，可利用营养缺陷型来合成某种末端产物 。
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2、抗代谢类似物的突变菌株
菌体通常需要各种代谢物如维生素、氨基酸等合成菌体需要 的成分，如果有与代谢物结构相似的物质（即抗代谢物）存在
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• 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。
第七章发酵机制及发酵动பைடு நூலகம்学
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。
第七章发酵机制及发酵动力学
第七章 发酵机制及发酵动力学
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。
第七章发酵机制及发酵动力学
本章主要内容
第一节 发酵工业微生物的基本代谢情况 第二节 微生物代谢调控机制 第三节 重要发酵产物的发酵机制 第四节 微生物发酵动力学
第七章发酵机制及发酵动力学
本章主要内容
第一节 发酵工业微生物的基本代谢情况 第二节 微生物代谢调控机制 第三节 重要发酵产物的发酵机制 第四节 微生物发酵动力学
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。
第七章发酵机制及发酵动力学
这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻 底氧化，并能产生大量NADPH＋H+形式的还原力 和多种重要中间代谢物的代谢途径。 具有HMP途径的微生物的碳源利用范围更广，例如 它们可以利用戊糖作碳源。 通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷 酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）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。
第七章发酵机制及发酵动力学
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）
第七章发酵机制及发酵动力学
1、EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）
又称糖酵解途径（glycolysis） 或己糖二磷酸途径 （hexosediphosphatepathway） :
第七章发酵机制及发酵动力学
EMP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，因而 也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代谢途径。在有 氧条件下，EMP途径与TCA途径连接，并通过后者把丙 酮酸彻底氧化成CO2和H2O。
第七章发酵机制及发酵动力学
由EMP途径中丙酮酸出发的发酵
从丙酮酸出发的6条发酵途径及其相互联系总结
在无氧条件下，丙酮酸或其进一步代谢后所产生的乙醛等产物被还原， 从而形成乳酸或乙醇等发酵产物。EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙 酮、丁醇和丁二醇等大第量七章重发要酵发机酵制及产发物酵的动力生学产有着密切的关系。
第七章发酵机制及发酵动力学
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）。
第七章发酵机制及发酵动力学
（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。
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注*：Topics： 1、新型发酵工业原料的应用和开发（来源、应用范围、工业预处理及配套政策）； 2、计算机技术、自动化技术及传感技术在发酵工业中的应用； 3、与发酵工业相适应的菌种的开发（菌种的获取、改造和工艺初步优化）； 4、发酵工艺的优化实例。 以上每个题目限报4组，也可以在其他与本课程相关的内容中自由选题。