微生物是發(fā)酵工業(yè)的靈魂,對(duì)微生物控制的發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化,我們要了解發(fā)酵罐中微生物的生長(zhǎng)反應(yīng)特性。微生物細(xì)胞生長(zhǎng)是細(xì)胞個(gè)體內(nèi)許多化學(xué)反應(yīng)的綜合結(jié)果。這些反應(yīng)包括合成提供其它反應(yīng)需要的吉布斯自由能;利用底物合成結(jié)構(gòu)單元,再聚合成大分子物質(zhì),供合成細(xì)胞所需等。正常情況下,微生物細(xì)胞為了確保有序和高效生長(zhǎng),必須將這些反應(yīng)有機(jī)地結(jié)合在一起,經(jīng)濟(jì)地分配胞內(nèi)各代謝途徑的通量。
大腸桿菌是發(fā)酵研究中用得最多的微生物。在大腸桿菌生長(zhǎng)過程中前人已觀察到下列現(xiàn)象∶
(1)在大腸桿菌快速生長(zhǎng)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;
(2)大腸桿菌胞內(nèi)的大分子物質(zhì)隨比生長(zhǎng)速率而變化。細(xì)胞以高比生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)時(shí)對(duì)蛋白質(zhì)的需求很高,因此相對(duì)于低的比生長(zhǎng)速率來說,蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(PSS) 在細(xì)胞中占有很大比例。在低比生長(zhǎng)速率下, PSS的利用率很低,其合成和維護(hù)對(duì)微生物來說是無用的代謝負(fù)擔(dān);
(3)一旦生長(zhǎng)培養(yǎng)基中的結(jié)構(gòu)單元足夠,細(xì)胞就不再合成這些物質(zhì);
(4)特定的代謝途徑代謝特定的底物,只有底物存在時(shí),細(xì)胞才合成相應(yīng)的酶。例如,只有當(dāng)乳糖存在時(shí),大腸桿菌才合成b- 半乳糖苷酶將乳糖降解成半乳糖和葡萄糖;
(5)若兩個(gè)不同的底物同時(shí)存在于培養(yǎng)基中,細(xì)胞先合成能在一種底物上以較高比生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)的酶系,當(dāng)這種底物消耗完畢,再合成利用另一底物的酶。如大腸桿菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長(zhǎng),首先代謝葡萄糖,此生長(zhǎng)階段不產(chǎn)生 b -半乳糖苷酶,不能代謝乳糖。當(dāng)葡萄糖濃度變得很低時(shí),系統(tǒng)合成b-半乳糖苷酶并利用乳糖繼續(xù)生長(zhǎng)。
以上觀測(cè)結(jié)果對(duì)其它微生物也具有一定的適用性。由于發(fā)酵罐中微生物胞內(nèi)代謝途徑緊密結(jié)合,因此,對(duì)全部過程進(jìn)行建模( 如對(duì)特定微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成) ,并不需要描述所有獨(dú)立的反應(yīng)。如對(duì)微生物生長(zhǎng)建模時(shí),可以將所有的代謝途徑混合起來用幾個(gè)單一反應(yīng)來表示,有時(shí)甚至用一個(gè)反應(yīng)式就可描述全部的生長(zhǎng)過程。
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