工業(yè)發(fā)酵主要類型及主要控制參數(shù)(資料)

1、發(fā)酵過程優(yōu)化原理*編號： *標題：發(fā)酵過程優(yōu)化原理英文標題：簡介： *中文關(guān)鍵詞：發(fā)酵過程,優(yōu)化,原理 *難度：難 *正文：微生物反應(yīng)優(yōu)化的一般原理1，發(fā)酵過程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理（1大腸桿菌生長過程中觀察到下列現(xiàn)象在大腸桿菌快速生長期間，生物合成的中間體很少滲漏到胞外培養(yǎng)基中，結(jié)構(gòu)單元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致。大腸桿菌胞內(nèi)的大分子物質(zhì)隨比生長速率而變化。一旦生長培養(yǎng)基中的結(jié)構(gòu)單元足夠，細胞就不再合成這些物質(zhì)。特定的代謝途徑代謝特定的底物，只有底物存在時，細胞才合成相應(yīng)的酶。若兩個不同的底物同時存在于培養(yǎng)基中，細胞先合成能在一種底物上以較高比生長速率生長的酶系，當

2、這種底物消耗完畢，再合成利用另一底物的酶。（2細胞生長過程可分為三個步驟底物傳遞進入細胞；通過胞內(nèi)反應(yīng)，將底物轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎|(zhì)和代謝產(chǎn)物；代謝產(chǎn)物排泄進入非生物相，即胞外培養(yǎng)基。（3底物、代謝產(chǎn)物和細胞質(zhì)成分的定義為底物是一種存在于初始非生物相或者攝入物中起作用的可交換的化合物。代謝產(chǎn)物是一種作為代謝物產(chǎn)生于某代謝途徑進入非生物相的化合物。細胞質(zhì)成分是一種細胞利用底物產(chǎn)生的不可交換的化合物。研究表明在膜上可能存在三種不同的運輸機制：自由擴散、協(xié)助擴散和主動運輸。前兩種機制是沿著濃度梯度進行運輸，是被動的過程，在運輸過程中不需要提供外部能量。而主動過程逆著濃度梯度進行運輸，需要輸入一定的吉布斯自由能

3、。微生物體內(nèi)不同底物和代謝產(chǎn)物的擴散過程化合物細菌真菌氨基酸葡萄糖乳糖甘油乙醇乳酸乙酸二氧化碳氧氣水主動運輸主動運輸主動運輸自由擴散，協(xié)助擴散自由擴散主動運輸和自由擴散自由擴散自由擴散自由擴散自由擴散主動運輸協(xié)助擴散和主動運輸協(xié)助擴散和主動運輸自由擴散，協(xié)助擴散自由擴散自由擴散自由擴散自由擴散自由擴散自由擴散（4微生物細胞的胞內(nèi)反應(yīng)分解代謝反應(yīng)糖類在轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同時，還形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代謝反應(yīng)中產(chǎn)生，但NADPH主要消耗于合成代謝中，NADH則主要消耗于分解代謝途徑，如氧化磷酸化。生物合成和聚合反應(yīng)為了合成細胞物質(zhì)

4、，需要合成結(jié)構(gòu)單元并將其聚合。合成蛋白質(zhì)需消耗大量的自由能，細胞一般根據(jù)其自身需求來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成,其合成由蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(PSS)負責，該系統(tǒng)中核糖體是主要部分。E. coli中大約70%的能量和還原力用于合成蛋白質(zhì)。合成E. coli細胞對前體代謝物的需求前體代謝物分子式摩爾質(zhì)量(g/mol)需要量(mmol/g細胞)6-磷酸-葡萄糖C6H13O9P2602056-磷酸果糖C6H13O9P260715-磷酸核糖C5H11O8P2308984-磷酸赤蘚糖C4H9O7P2003613-磷酸甘油醛C3H7O6P1701293-磷酸甘油酸C3H7O7P1861496磷酸烯醇式丙酮酸C3H5O6P

5、168519丙酮酸C3H4O3882833乙酰輔酶A/3747a-酮戊二酸C5H6O51461079琥珀酰輔酶A/草酰乙酸C4H4O51321787細胞合成所需要的結(jié)構(gòu)單元數(shù)在75100之間，這些物質(zhì)都是從12種前體代謝物合成得到的，這些前體代謝物就是分解代謝反應(yīng)的中間產(chǎn)物，因此分解代謝在細胞生長過程中起著雙重的作用(為生物合成提供能量和前體代謝物)次級細胞代謝細胞代謝和生長過程偶聯(lián)在一起的過程，稱之為初級代謝。但許多工業(yè)上重要的產(chǎn)品，其合成反應(yīng)并不與生長過程偶聯(lián)，我們稱之為次級代謝，這些反應(yīng)合成的產(chǎn)物叫次級代謝產(chǎn)物，就象初級代謝形成的產(chǎn)物叫初級代謝產(chǎn)物一樣乳酸是初級代謝產(chǎn)物，但它是乳酸菌在非

6、生長條件下形成的，許多其它的初級代謝產(chǎn)物也同樣是在非生長條件下產(chǎn)生的2、發(fā)酵過程數(shù)量化方法發(fā)酵過程的數(shù)量化處理包括：發(fā)酵過程的速度、化學(xué)計量學(xué)和熱力學(xué)、生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率。只有當變量可測量時，才有可能對發(fā)酵過程進行數(shù)量化處理。3、微生物反應(yīng)優(yōu)化的一般原理（1發(fā)酵過程優(yōu)化的一般步驟反應(yīng)過程的簡化：是指把工藝過程的復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓縮為少數(shù)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以用關(guān)鍵變量來表示定量化：系統(tǒng)、準確地檢測發(fā)酵過程的各種參數(shù)分離：是指在生物過程和物理過程的各種速度相互不影響的情況下，精心設(shè)計實驗以獲得關(guān)于生物和物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)建模：數(shù)學(xué)模型是能以簡化的形式表征過程行為，并實現(xiàn)特定目的的數(shù)學(xué)公式。數(shù)學(xué)模型可將特定結(jié)果通用化，并為推論系統(tǒng)的其它性質(zhì)提供基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型的主要目標是：(a)為了預(yù)見任何系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率或生產(chǎn)率；(b)用以檢查在各種操作條件下工廠操作