好氧发酵产物积累机制共59页共59页

有机酸和醇类
如乳酸、乙酸和乙醇等， 可作为化工原料或生物燃 料。
胞外多糖
如黄原胶、透明质酸等， 具有生物活性，可用于药 物、化妆品等领域。
产物的积累过程与影响因素
微生物种类与代谢途径
不同微生物具有不同的代谢途径和产物，选 择合适的微生物是关键。
培养条件
如温度、pH值、氧气和营养物质等，对微 生物的生长和代谢有重要影响。
底物种类与浓度
底物的种类和浓度决定了产物的种类和产量。
产物的应用与价值
能源利用
生物气体可用于生产电力、热 能和燃料，减少对化石燃料的
依赖。
化工原料
有机酸和醇类可用于生产塑料 、橡胶、涂料等材料。
生物医药
胞外多糖具有抗炎、抗肿瘤等 生物活性，可用于药物研发和 生产。
环境保护
好氧发酵产物可用于废水处理 和土壤改良，改善环境质量。
好氧发酵产物积累机制
• 引言 • 好氧发酵的基本原理 • 好氧发酵产物的积累机制 • 好氧发酵产物的积累调控 • 结论与展望
01
引言
背景介绍
01
介绍好氧发酵在工业生产中的应 用，如废水处理、生物燃料生产 等。
02
阐述好氧发酵过程中产物积累的 问题及其对生产效率的影响。
研究意义
强调研究好氧发酵产物积累机制对于 提高生产效率、降低成本、优化工艺 等方面的意义。
好氧发酵的主要微生物包括细菌、真菌和放线菌等，它们通过分解有机物获得能 量，同时合成新的细胞物质。
在好氧发酵过程中，微生物通过细胞膜上的酶将有机物氧化分解为小分子，如氨 基酸、脂肪酸等，这些小分子再被进一步氧化分解为水和二氧化碳。
好氧发酵的过程与产物
好氧发酵的过程可以分为 三个阶段：水解阶段、酸 化阶段和甲烷化阶段。

柠檬酸发酵中黑曲霉对Mn2+极端敏感。黑曲 霉在缺锰的条件下发酵 ，细胞有生理和代谢的变 化。 Mn2+的效应可以认为是NH4+水平升高而减弱 了柠檬酸对EMP途径关键酶（PFK）的抑制。


第二个调节的酶是丙酮酸激酶（PK）
PK 被NH4+ 、K+激活
磷酸烯醇丙酮酸－－－－丙酮酸＋ATP

二氧化碳的固定反应 参与二氧化碳固定反应的酶：
C6H12O6 +2H2O 2CO2+8H++8e 净反应 C6H12O6 2CH3COOH+2CO2+8H++8e CH3COOH+ 2H2O 3CH3COOH
反应在厌氧条件下进行的，由己糖或戊糖生成醋酸的理 论产率都是100％。 热醋酸梭菌为产芽孢菌，Ｇ＋，周生鞭毛，耐高温，最 适生长温度55～60°C，转化率高，严格厌氧，还可以利用 戊糖。但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸盐。
E1 E2 E1
CH3CHO
E2
CH3COOH
乙醇脱氢酶 或乙醇氧化酶，它依赖于NAD。 乙醛脱氢酶 ，需要NADP作辅酶。
醋杆菌为G-，好氧菌， 1mol乙醇转化为1mol醋酸，理论转化率是130％。
2 热醋酸梭菌生产醋酸
热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，还可 以将CO2还原为醋酸。 CO2是通过甲酰四氢叶酸（THF）和类 咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性，不能利用氢 气。
第六章 好氧发酵产物积累机制
好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵 过程中需要不断地通入一定量的无菌空气，如利用 黑曲霉进行柠檬酸的发酵、利用棒状杆菌进行谷氨 酸的发酵、利用黄单孢菌进黄原胶－多糖的发酵等 等． 糖的分解代谢包括糖酵解（糖的共同分解途径） 和三羧酸环（糖的最后氧化途径）。

2.从遗传代谢方面分析
➢ 次级代谢产物除与初级代谢产物一样受核内 DNA的调剂控制外，还受到与初级代产物合成 无关的遗传物质的控制。
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（二）抗生素生产菌的主要代谢调节机制
微生物的代谢调节机制 酶的诱导
受DNA控制的酶合成调节机制 酶的阻遏 终点产物的阻遏 终产物的抑制或活化 分解产物的阻遏
歧杆菌等
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三、丙酮丁醇发酵机制
在丙酮丁醇菌中，丙酮酸经过一系列的脱 羧和缩合等过程而转变为丙酮、丁醇，称为丙 酮丁醇发酵。
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四、由乙醇、乙酸生成已酸机制
当培养基中乙醇和乙酸的比率不同时，丁 酸和已酸形成的比率也不同。
乙酸多时，主要产物为丁酸；
当培养基中乙醇比乙酸占优势时，主要产 物为已酸。
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3.控制旁路代谢
D-苏氨酸
L-苏氨酸
D-苏氨酸 脱氢酶
α-酮基丁酸
L-苏氨酸 脱氢酶
反馈抑制
L-异亮氨酸
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4.降低反馈作用物的浓度：
利用营养缺陷型突变株
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5.消除终产物的反馈抑制与阻遏：抗氨基酸
结构类似物突变株
6.促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物 合成
存在两个 CO2固定 系统（需 Mg2＋、 K＋）
1，6-二磷酸果糖
磷酸丙糖
磷酸烯醇丙酮酸
CO *
2
丙酮酸
CO *
2
草酰乙酸
苹果酸
CO2 乙酰CoA
柠檬酸
Fe 2+ 顺乌头酸
富马酸
异柠檬酸
琥珀酸

NAD+ NADH
葡萄糖
6-磷酸 葡萄糖
6-磷酸葡 5-磷酸 萄糖酸 -CO2 木酮糖
乙酰磷酸
3-磷酸 -2H 甘油醛
乳酸
2ADP 2ATP
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（2）双歧途径
两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产乳酸的途径
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发酵类型 同型乳酸
发酵
异型乳酸 发酵
途径 EMP
HMP 双歧
产物 乳酸
菌种代表
保加利亚乳杆 菌、乳酸链球
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（三）及时补加草酰乙酸
外加草酰乙酸 选育回补途径旺盛的菌种
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柠檬酸的积累机制归纳：
①Mn 2+ 缺乏
抑制蛋白
合成
NH4﹢
有一条呼吸活力强的不产生ATP的 侧系呼吸链
解除磷酸果糖激酶 的代谢调节，促进 EMP途径的畅通
② 由于丙酮酸羧化酶是组成型酶，不被调节控制。
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③丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2固定两个反应 的平衡，以及柠檬酸合成酶不被调节，增强了合 成柠檬酸的能力。 ④由于顺乌头酸水合酶在催化时建立了以下平衡： 柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90：3：7 同时控制Fe2+含量时，顺乌头酸酶活力降低，使 柠檬酸积累。
株；
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（四）肌苷酸发酵机制
1. 选择肌苷酸酶弱或丧失的菌株为出发菌株； 2. 选育Ade-、Ade-+Xan-或Ade-+G-等，发酵时限量
添加腺嘌呤、鸟嘌呤，以解除腺苷酸和鸟苷酸对 PRPP转酰胺酶的反馈抑制； 3.遗传性解除AMP类和GMP类对PRPP转酰胺酶的反馈 调节，选育抗腺嘌呤结构类似物和抗鸟嘌呤结构类似 物突变株； 4.解除细胞膜渗透性障碍。
DNA的调剂控制外，还受到与初级代产物合成 无关的遗传物质的控制。

10-16×1015×1000×0.2 × 2.6×10-3 =0.052 molO2/(m3·s)
0.25 ÷ 0.052 = 4.8 (s) 培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。
2. 亨利定律(Henry's law)
• 在等温等压下，某种气体在溶液中的溶解
度与液面上该气体的平衡压力成正比。这
包括氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜及细 胞内的扩散。
氧分子在一系列的扩散中，各步均有一推动力（氧的分 压或浓度差）来克服各自的阻力。
------ 单位时间内单位体积培养液中微生物摄取
氧的量。记作 rO2 (mmol/L·h)
(耗氧速率)
rO2因微生物种类、代谢途径、菌体浓度、温 度、培养液成分及浓度的不同而异。
rO2值的范围一般在 25～100 mmol/L·h
比耗氧速率-----相对于单位质量的干菌体在单位时间内 所消耗的氧量。也称呼吸强度(respiratory intensity)；用 QO2表示 (mmol O2 /g ·h)
（二）微生物的耗氧------
供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
• 氧是细胞的组成成分和各种产物的构成 元素，又是生物能量代谢的必需元素。 氧是好气性微生物氧化代谢的电子最终 受体，同时通过氧化磷酸化反应生成生 物体生命活动过程中所需要的能量。
如果细胞的代谢产物就是细胞、CO2和水时， Meteles根据细胞的主要元素组成，提出了预测 发酵过程中微生物需要氧数量的计算公式：
吸强度不再随溶解氧浓度的增加而变化，此时的溶氧浓度 称为呼吸临界氧浓度。
临界氧浓度与培养液的理化性质，发酵罐的结构有关。
QO2
在好氧微生物反应中，一
般取CL >CCr ，以保证反应 的正常进行。