第三章 化能异养微生物的代谢网络（要求不高的一章）
本章内容：代谢概述；葡萄糖代谢
一、代谢概述
异养型微生物（有机物作为碳源）：光能异养（以光能为能源，不能以CO2为唯一碳源）；化能异养（有机物作为能源和碳源）。
自养型微生物（ CO2作为碳源）：光能自养（藻类，蓝细菌等）；化能自养（氧化无机物产生的化学能作为能源。
新陈代谢：营养物质在生物体内进行的一切化学变化，简称代谢。包括以下三个过程：①从环境中获得营养物质；②将外界的营养物质转化为“结构元件”，同时释放能量并以ATP的形式储存；③将“结构元件”装配成生物体所需的分子，同时消耗ATP和还原力。 二、葡萄糖的代谢途径
讨论葡萄糖代谢的意义（重点）：
①葡萄糖和果糖是化能异养微生物的主要碳源和能源；
②戊糖等其他碳水化合物首先被转化成葡萄糖降解途径的中间化合物然后继续代谢； ③碳水化合物以外的有机物都首先被转化成葡萄糖降解途径的中间化合物然后继续参与代谢。
葡萄糖代谢的三阶段：
第一阶段：葡萄糖进入细胞在胞内以葡萄糖、葡萄糖磷酸酯或葡萄糖酸磷酸酯的形式出现。
第二阶段：微生物将葡萄糖或者磷酸葡萄糖降解成3C水平的丙酮酸。
第三阶段：丙酮酸继续代谢。这个阶段是区分葡萄糖氧化代谢和还原代谢的关键阶段。 葡萄糖到丙酮酸：
①糖酵解途径（EMP），葡萄糖经10步反应得到丙酮酸，一个葡萄糖得到两个丙酮酸，两个ATP；
②磷酸戊糖途径（HMP）分两个阶段先生成5-磷酸核酮糖，然后再转酮酶或转醛酶的作用下，产生各种不同碳链长度的中间产物，糖不经过EMP途径和TCA循环得到彻底氧化，无ATP生成产生大量还原力，是戊糖代谢的主要途径。
③ED途径。
丙酮酸的厌氧代谢：一般是还原过程。意义在于辅酶Ⅰ的再生。常见产物，乙醇，丙酮、丁醇等。
丙酮酸的有氧代谢—三羧酸循环：
基本过程：有氧条件下丙酮酸的彻底氧化。丙酮酸先脱羧生成乙酰CoA,乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸进入三羧酸循环，循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O每氧化1分子的乙酰CoA可产生12个ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。
第四章 培养基和发酵原料
内容：
1.工业培养基的组成，设计和优化（介绍内容，理解） 2.淀粉制糖工艺（重点） 3.纤维素制糖工艺 一、微生物培养基的组成
碳源：为微生物细胞和代谢物提供碳素的营养物质。糖质原料（甘蔗、甜菜、糖蜜），淀粉质原料（玉米、番薯），纤维素原料（木材、秸秆）。
氮源：有机氮源（酵母粉、玉米浆、花生饼粉，黄豆饼粉），无机氮源（铵盐，硝酸盐，氨水，代谢后）。活体中的有机物和武生物的有机分子中的N通常以还原形式存在，NH4+很容易被微生物利用合成氨基酸和其他含氮化合物，NO3-首先被各种微生物还原为氨然后合成自身物质。
无机物与微量元素：P、Mg、 Na、 K、 Ca、 S、 Fe、 Zn 等等。
其他成分：生长因子（微生物生长不可缺少的微量有机物质，一般是微生物自身不能合成的物质，有机氮源往往可以补充）；前体；产物促进剂。
二、淀粉制糖工艺（重点）
淀粉分为支链、直链淀粉。制糖方法有：
酸法：时间段产能达，有副反应
酶法：条件温和、产物专一、糖液质量好、可处理较高浓度的淀粉乳。（只介绍酶法） 酸酶结合法。
降解淀粉酶大致分4类：α淀粉酶；β淀粉酶；糖化酶，异淀粉酶。 相关概念：
糊化：淀粉受热后淀粉颗粒吸水膨胀，晶体结构消失互相接触变成糊状液体，这时即使停止搅拌也不会析出。
（老化：糊化后因为温度降低分子间氢键已经断裂的淀粉又重新排列，形成新的氢键。） 液化：用α淀粉酶将淀粉切断成长短不一的短链糊精和少量低聚糖，从而使淀粉糊的粘度迅速下降。
糖化：利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步转化成葡萄糖。 二次喷射加酶液化法制糖：
为什么两次加酶：为了使不溶性淀粉颗粒在高温下分散，在第一次加酶并维持一段时间后进行第二次高温喷射，使料液温度上升到145℃，这使第一次加入的液化酶灭活。
为什么要控制液化程度：液化的目的是给糖化酶的作用创造条件。而糖化酶水解糊精和低聚糖需要先与底物分子结合，这需要被作用的底物具有相当的大小，过大过小都不利于糖化酶的结合和水解。 糖化工业要点：
1.糖化酶对底物的作用从非还原末段开始，水解α-1,4和α-1,6糖苷键，释放葡萄糖。 2.糖化前要对液化酶进行灭活，避免液化程度过高影响糖化酶的作用。
3.糖化后要对糖化酶进行灭活。避免生成的葡萄糖因α-1,6糖苷键复合反应生成异麦芽糖
4.糖化的工艺参数与所使用的酶有关。 不同过程对淀粉原料处理的要求：
淀粉制糖工业：制备葡萄糖—对淀粉进行彻底水解；制备麦芽糊精—不需要糖化处理
酒精工业：不需要彻底糖化
有机酸工业：柠檬酸—外加淀粉酶进行淀粉液化；乳酸—彻底糖化。
纤维素制糖工艺
纤维素与半纤维素、木质素和木质素相互缠绕，通过氢键和共价键等作用力形成复杂致密的复合物。
纤维素水解工艺：浓酸水解工艺；稀酸水解工艺；纤维素酶水解。
第五章、培养基灭菌、空气过滤和染菌防治
1.灭菌的原理和方法 2.培养基湿热灭菌 3.空气除菌
4.发酵染菌及其防治
一、灭菌原理方法 方法类型：火焰灭菌，化学药剂灭菌（甲醛，苯酚，次氯酸钠），射线灭菌，干热灭菌（160℃，1h），湿热灭菌(120℃，20-30min)，过滤除菌。 相关概念：
致死温度：杀死微生物的极限温度。
致死时间：一定温度下杀死全部微生物所需要的时间。
热阻：反应微生物的热抵抗能力，指微生物在某一特定条件下的致死时间。 相对热阻：指微生物在某一特定条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。
二、湿热灭菌
湿热灭菌：潜热大，热穿透力强、湿热条件下蛋白质易变性，经济性好、周期较短。同时破坏营养成分，甚至产生不利于菌体生长的成分。（高温短时灭菌更利于保护培养基）
批次灭菌：将配制好的培养基同时放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基与方发酵罐一起加热进行灭菌的过程，也称间歇灭菌，实罐灭菌，实消。 湿热灭菌操作步骤与要点：
1.准备，先将分空气过滤器灭菌，并用空气将分过滤器吹干。
2.加热，防去夹套或蛇管中冷水，开启排气管阀，通过空气管通入蒸汽进行加热。培养基温度到70时从取样管和放料管通入蒸汽进一步加热。罐压（表）10^5Pa时打开接种、补料、消泡剂、酸碱等管道阀门排汽。
3.保温，保温过程一般应低速搅拌。
4.降温，保温结束后，依次关闭各排汽和进汽阀，待罐内压力小于压缩空气压力后通入无菌空气，然后向夹套和蛇管通冷水。（先通空气后通水）。
连续灭菌：将配置好的培养基在向发酵罐等培养基装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行的灭菌。工业上交连消。培养基可以在短时间内加热到保温温度，并能够很快冷却，因此可以再更高的温度下灭菌，有利于减少培养基的营养物质的破坏。 连续与批次灭菌的比较：
连续：温度高，灭菌质量稳，热利用率高，发酵设备利用率高；设备要求高，操作麻烦，染菌机会多，对蒸汽要求高。
批次：设备要求低，操作要求低可手动，适合小批生产规模，适合含大量固体物培养基；培养基营养物质损失高，能耗高，不适合大规模生产，发酵罐利用率低。 三、空气除菌
四、发酵染菌及防治
第六章、氧的供需与传递
内容;
1.描述微生物呼吸的几个物理量 2.气液氧传递方程 3.影响氧气传递的因素 4.KLa测定方法
一、描述微生物呼吸的几个物理量 耗氧速率（摄氧率OUR或者r）：单位体积培养液单位时间的耗氧量。 比耗氧速率（呼吸强度QO2）：单位质量的菌体单位时间的耗氧量
QO2=OUR/X
其中X为菌体浓度。呼吸强度比摄氧率更反映微生物消耗氧气的能力。
临界氧浓度：不影响好氧微生物呼吸的最低溶氧浓度。比耗氧速率随着溶氧浓度的增加而上升，当溶氧浓度高于临界值时，细胞的呼吸强度不再上升而是保持恒定，这个溶氧临界就是临界氧浓度。
二、气液氧传递速率方程
双膜理论假设：气液两相的主体内溶解的气体主要是以对流形式传输，气液界面沿气体一侧和液体一侧各有一层稳定的薄膜，溶解的气体在双膜内只以分子扩散的形式移动。溶解的气体在双膜内的浓度分布不随时间变化，界面上气相分压和液相中的气体浓度之间达到平衡状态，因此界面上没有传质阻力。
OTR=???? ??(??????)
OTR为单位体积培养液中的传氧速率（mol/m^3s） KL为以浓度差为推动力的液膜传质系数（m/s）
a比表面积，单位体积培养液内气液接触面积（m^2/m^3） KLa,以浓度差为推动力的体积氧传递系数（s^-1） C*氧气平衡浓度。
KLa表征发酵体系的供氧能力，表征生物反应器的供氧能力。比较不同操作或不同反应器的供氧能力，KLa是最直接的办法。 三、影响氧气传递速率的因素 气液传递速率方程：
OTR=???? ??(??????)
影响因素分三类：
影响推动力的因素（C*）：1.温度，温度升高会降低氧气在水里的溶解度，提高发酵温度对氧传递有负面作用；2.罐压和氧分压，罐压的提高和压缩空气中的氧气含量的提高可以相应提高氧气在发酵液中的平衡浓度；3.电解质溶液浓度电解质浓度大，氧的溶解度越低。
影响气液比表面积的因素：气液比表面积与气体的截留率成正比，与气泡的平均直径成反比。a=6H0/dB，H0为截留率，液体中截留的气体体积与液体体积之比，dB为气泡平均直径。加大通气量就是通过加大截留率来提高比表面积。搅拌打碎气泡，同时使液体呈涡流运动路线，降低了气泡直径又提高了气液接触面积。
影响液膜传递系数的因素：液膜的传递系数与扩散系数成正比于液膜厚度成反比。搅拌会使液膜的厚度减小，提高传递系数，发酵液的性质（离子强度，密度等），表面活性剂能帮助扩散，但以膜形式分布在气液界面往往增大传质阻力。
国科大研究生课程-生化生产工艺笔记教材
