發(fā)酵理論補(bǔ)充

1、1發(fā)酵理論補(bǔ)充發(fā)酵工程總論發(fā)酵工程總論源于：江南大學(xué)生物工程學(xué)院源于：江南大學(xué)生物工程學(xué)院2本章內(nèi)容本章內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵產(chǎn)品的類型發(fā)酵產(chǎn)品的類型第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵工程的地位發(fā)酵工程的地位第四節(jié)第四節(jié) 發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史3第一節(jié)第一節(jié) 概述概述4“發(fā)酵發(fā)酵”（Fermentation）一詞是拉丁語）一詞是拉丁語“沸騰沸騰”（fervere）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象麥芽浸出液時產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二是由浸出液中的糖在缺氧條件

2、下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。氧化碳所引起的。基本概念基本概念5狹義狹義 “發(fā)酵發(fā)酵”的定義：在的定義：在生物化學(xué)或生理學(xué)上生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵發(fā)酵是指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物是指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時獲得能量，丙酮酸被還原為放出二氧化碳。同時獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。乳酸而獲得能量等

3、等?；靖拍罨靖拍?廣義廣義 “發(fā)酵發(fā)酵”的定義：的定義：工業(yè)上所稱的發(fā)酵工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細(xì)抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等?；靖拍罨靖拍?“發(fā)酵工程發(fā)酵工程”的定義：應(yīng)用微生物學(xué)等相關(guān)的的定義：應(yīng)用微生物學(xué)等

4、相關(guān)的自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會性服務(wù)的一門科學(xué)。性服務(wù)的一門科學(xué)?；靖拍罨靖拍?發(fā)酵工程的特點(diǎn)發(fā)酵工程的特點(diǎn) ：9發(fā)酵工程的特點(diǎn)發(fā)酵工程的特點(diǎn) 10發(fā)酵工程的特點(diǎn)發(fā)酵工程的特點(diǎn) 11按發(fā)酵原料來區(qū)分按發(fā)酵原料來區(qū)分糖類物質(zhì)發(fā)酵糖類物質(zhì)發(fā)酵 石油發(fā)酵石油發(fā)酵 廢水發(fā)酵廢水發(fā)酵發(fā)酵的類型發(fā)酵的類型12按發(fā)酵形式來區(qū)分按發(fā)酵形式來區(qū)分 固態(tài)發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵深層液體發(fā)酵深層液體發(fā)酵發(fā)酵的類型發(fā)酵的類型13按發(fā)酵產(chǎn)物區(qū)分按發(fā)酵產(chǎn)物區(qū)分 氨基酸發(fā)酵氨基酸發(fā)酵有機(jī)酸

5、發(fā)酵有機(jī)酸發(fā)酵抗生素發(fā)酵抗生素發(fā)酵酒精發(fā)酵酒精發(fā)酵維生素發(fā)酵維生素發(fā)酵酶制劑發(fā)酵酶制劑發(fā)酵 發(fā)酵的類型發(fā)酵的類型14按發(fā)酵工藝流程區(qū)分按發(fā)酵工藝流程區(qū)分 分批發(fā)酵分批發(fā)酵分批補(bǔ)料發(fā)酵分批補(bǔ)料發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵的類型發(fā)酵的類型15按發(fā)酵過程中對氧的不同需求來分按發(fā)酵過程中對氧的不同需求來分 好氧發(fā)酵好氧發(fā)酵 厭氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵 發(fā)酵的類型發(fā)酵的類型16繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份確定；繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份確定；培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌；培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌；培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)容器中；培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)容器中；微生物在

6、最適合于產(chǎn)物生長的條件下，在發(fā)酵罐中微生物在最適合于產(chǎn)物生長的條件下，在發(fā)酵罐中生長；生長；產(chǎn)物提取和精制；產(chǎn)物提取和精制；過程中排出的廢棄物的處理。過程中排出的廢棄物的處理。發(fā)酵過程的組成發(fā)酵過程的組成17典型的發(fā)酵過程示意圖典型的發(fā)酵過程示意圖18某種適宜的微生物某種適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成，溫度，溶氧，基組成，溫度，溶氧，pH等）等）進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備備發(fā)酵生產(chǎn)的條件發(fā)酵生產(chǎn)的條件19發(fā)酵工業(yè)范圍發(fā)酵工業(yè)范圍傳統(tǒng)

7、發(fā)酵(生物食品)產(chǎn)業(yè) 生物健康食品業(yè)生物健康食品業(yè)食用菌業(yè)食用菌業(yè)乳酸菌飲料乳酸菌飲料 泡泡 菜菜 業(yè)業(yè) 微微 藻藻 業(yè)業(yè)生物保健食品生物保健食品生物食品添加劑及配料業(yè)生物食品添加劑及配料業(yè)酒酒 精精 業(yè)業(yè)維生素業(yè)維生素業(yè)酵酵 母母 業(yè)業(yè)藥膳真菌藥膳真菌 生物釀造食品業(yè)生物釀造食品業(yè)啤啤 酒酒 業(yè)業(yè)醬醬 油油 業(yè)業(yè) 白白 酒酒 業(yè)業(yè)葡萄酒業(yè)葡萄酒業(yè)黃黃 酒酒 業(yè)業(yè)果露酒業(yè)果露酒業(yè)食食 醋醋 業(yè)業(yè) 醬醬 行行 業(yè)業(yè)腐腐 乳乳 業(yè)業(yè) 其其 他他氨基酸業(yè)氨基酸業(yè)淀粉糖業(yè)淀粉糖業(yè)有機(jī)酸業(yè)有機(jī)酸業(yè)酶制劑業(yè)酶制劑業(yè)生物防腐劑生物防腐劑其他其他功能糖業(yè)功能糖業(yè)功能肽業(yè)功能肽業(yè)功能脂肪酸功能脂肪酸生物色素生物

8、色素生物增稠劑生物增稠劑其其 他他20第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵產(chǎn)品的類型發(fā)酵產(chǎn)品的類型21發(fā)酵產(chǎn)品的類型發(fā)酵產(chǎn)品的類型22工業(yè)生產(chǎn)的微生物體，可分為二種：工業(yè)生產(chǎn)的微生物體，可分為二種：供制備面包用的酵母；供制備面包用的酵母；作為人類或動物的食物的微生物細(xì)胞（單細(xì)胞作為人類或動物的食物的微生物細(xì)胞（單細(xì)胞蛋白質(zhì)）。蛋白質(zhì)）。菌體菌體 23工業(yè)上，曾由植物、動物和微生物生產(chǎn)酶。微工業(yè)上，曾由植物、動物和微生物生產(chǎn)酶。微生物的酶可以用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)，是其最大的生物的酶可以用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)，是其最大的優(yōu)點(diǎn)。而且與植物或動物相比，改進(jìn)微生物的生優(yōu)點(diǎn)。而且與植物或動物相比，改進(jìn)微生物的生產(chǎn)能力也方便得多。

9、酶的生產(chǎn)是受到微生物本身產(chǎn)能力也方便得多。酶的生產(chǎn)是受到微生物本身嚴(yán)格控制。為改進(jìn)酶的生產(chǎn)能力可以改變這些控嚴(yán)格控制。為改進(jìn)酶的生產(chǎn)能力可以改變這些控制，如在培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物和采用菌株的誘變制，如在培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物和采用菌株的誘變和篩選技術(shù)，以消除反饋?zhàn)瓒糇饔?。和篩選技術(shù)，以消除反饋?zhàn)瓒糇饔谩?微生物的酶微生物的酶 24微生物代謝產(chǎn)物微生物代謝產(chǎn)物-代謝產(chǎn)物的類別代謝產(chǎn)物的類別l初級代謝產(chǎn)物：初級代謝產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、脂類和碳水化合物等。l次級代謝產(chǎn)物：次級代謝產(chǎn)物：有些微生物的穩(wěn)定期培養(yǎng)物中所含有的化合物，并不在營養(yǎng)期時出現(xiàn)，而且未見到對細(xì)胞代謝功能有明顯的影響。例如，

10、抗生素。25微生物代謝產(chǎn)物微生物代謝產(chǎn)物-初級代謝產(chǎn)物及其在工業(yè)上的用初級代謝產(chǎn)物及其在工業(yè)上的用途舉例途舉例初級代謝產(chǎn)物初級代謝產(chǎn)物用用 途途乙醇乙醇含酒精飲料中的活性成分含酒精飲料中的活性成分與石油混合后，可作為汽車燃料與石油混合后，可作為汽車燃料檸檬酸檸檬酸食品、化學(xué)工業(yè)中多種用途食品、化學(xué)工業(yè)中多種用途丙酮丁醇丙酮丁醇溶劑溶劑氨基酸氨基酸藥品、調(diào)味品藥品、調(diào)味品核苷酸核苷酸調(diào)味品調(diào)味品多糖多糖食品添加劑、提高油類回收率食品添加劑、提高油類回收率維生素維生素食品添加劑、藥品食品添加劑、藥品26微生物代謝產(chǎn)物微生物代謝產(chǎn)物-初級代謝和次級代謝間的關(guān)系初級代謝和次級代謝間的關(guān)系 27生物轉(zhuǎn)化

11、過程生物轉(zhuǎn)化過程-定義定義 生物細(xì)胞或其產(chǎn)生的酶能將一種化合物轉(zhuǎn)化成化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，但在經(jīng)濟(jì)上更有價值的化合物。 轉(zhuǎn)化反應(yīng)是催化脫氫、氧化、羥化、縮合、脫羧、氨化、脫氨化或同分異構(gòu)作用。28生物轉(zhuǎn)化過程生物轉(zhuǎn)化過程-特點(diǎn)特點(diǎn) 反應(yīng)條件溫和反應(yīng)條件溫和 (30-40(30-40，常常壓，水相反應(yīng)壓，水相反應(yīng)) ) 反應(yīng)選擇性高反應(yīng)選擇性高 反應(yīng)產(chǎn)物純度高（包括光學(xué)純）反應(yīng)產(chǎn)物純度高（包括光學(xué)純） 反應(yīng)底物簡單便宜（一般無毒、不易燃）反應(yīng)底物簡單便宜（一般無毒、不易燃） 反應(yīng)收率主要取決于菌種的性能反應(yīng)收率主要取決于菌種的性能 設(shè)備簡單設(shè)備簡單29第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵工程的地位發(fā)酵工程的地位30生物工

12、程重要的組成部分生物工程重要的組成部分 發(fā)酵工程發(fā)酵工程( Fermentation ) 酶工程酶工程 (蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程) (Enzyme engineering & Protein engineering) 基因工程基因工程 ( Genetic engineering) 細(xì)胞工程細(xì)胞工程 ( Cell engineering )31生物質(zhì)原料化學(xué)品化學(xué)品精細(xì)化學(xué)品精細(xì)化學(xué)品大宗化學(xué)品大宗化學(xué)品食品添加劑食品添加劑生物塑料生物塑料溶劑溶劑酚類酚類粘合劑粘合劑脂肪酸脂肪酸碳黑、顏料碳黑、顏料燃料、香料、墨水燃料、香料、墨水洗滌劑洗滌劑生物能源生物能源生物酒精生物酒精生物柴油生物柴油

13、甲醇甲醇?xì)錃鈿錃庹託庹託獍l(fā)酵工程的地位發(fā)酵工程的地位-工業(yè)生物技術(shù)主要部分工業(yè)生物技術(shù)主要部分32第四節(jié)發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史第四節(jié)發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展史33第一階段1900年前年前酒精、醋酒精、醋 使用溫度計(jì)，使用溫度計(jì)，比重計(jì)和熱交換比重計(jì)和熱交換器器 分批培養(yǎng)分批培養(yǎng)使用純酵母培使用純酵母培養(yǎng)物養(yǎng)物(1896), 用優(yōu)用優(yōu)質(zhì)醋接種發(fā)酵質(zhì)醋接種發(fā)酵 第二階段19001940面包酵母，甘油面包酵母，甘油，檸檬酸和丙酮丁，檸檬酸和丙酮丁醇醇 pH離線控制，離線控制，溫度控制溫度控制 分批和補(bǔ)料培養(yǎng)分批和補(bǔ)料培養(yǎng)應(yīng)用純培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用純培養(yǎng)技術(shù) 第三階段1940目前目前青霉素，氨基酸青霉素，氨基酸，核苷酸，酶，

14、核苷酸，酶 可滅菌的可滅菌的pH和溶和溶氧電極，計(jì)算機(jī)控氧電極，計(jì)算機(jī)控制制 分批和補(bǔ)料，連分批和補(bǔ)料，連續(xù)培養(yǎng)開始續(xù)培養(yǎng)開始菌種篩選程序重菌種篩選程序重要要 發(fā)酵工程的過去發(fā)酵工業(yè)發(fā)展年鑒由食品工業(yè)向非由食品工業(yè)向非食品工業(yè)發(fā)展食品工業(yè)發(fā)展抗菌素發(fā)酵工業(yè)抗菌素發(fā)酵工業(yè)34第四階段1960目前目前用烴和和別的貯用烴和和別的貯存物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋存物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白白 計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)+培養(yǎng)培養(yǎng)基再循環(huán)基再循環(huán) 生產(chǎn)菌株的遺傳生產(chǎn)菌株的遺傳工程技術(shù)工程技術(shù) 第五階段1979目前目前通常微生物不產(chǎn)通常微生物不產(chǎn)生的異質(zhì)化合物，生的異質(zhì)化合物，如胰島素，干擾素如胰島素，干擾素 更先進(jìn)的

15、控制手更先進(jìn)的控制手段和傳感器段和傳感器 分批，補(bǔ)料分批，補(bǔ)料-分批分批或連續(xù)或連續(xù) 用基因工程技術(shù)用基因工程技術(shù)將外源基因引入微將外源基因引入微生物宿主生物宿主 第六階段1990目前目前解決能源、資源解決能源、資源、環(huán)境等問題的工、環(huán)境等問題的工業(yè)應(yīng)用業(yè)應(yīng)用基因組學(xué)、蛋白基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)緊密結(jié)合技術(shù)緊密結(jié)合代謝控制發(fā)酵技術(shù)代謝控制發(fā)酵技術(shù)組學(xué)技術(shù)與發(fā)酵工程組學(xué)技術(shù)與發(fā)酵工程發(fā)酵工程的過去發(fā)酵工業(yè)發(fā)展年鑒351980-19901991-20002001-生物醫(yī)藥生物醫(yī)藥公公司司數(shù)數(shù)量量第一第一次浪潮次浪潮第二第二次浪潮次浪潮第三第三次浪潮次浪潮轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因

16、植物工業(yè)生物技術(shù)工業(yè)生物技術(shù)36SGC2C3C5C6C4淀粉淀粉半纖維素半纖維素纖維素纖維素木質(zhì)素木質(zhì)素油脂油脂蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)碳水化合物碳水化合物糖平臺糖平臺 葡萄糖葡萄糖 果糖果糖 木糖木糖 阿拉伯糖阿拉伯糖熱化學(xué)平臺熱化學(xué)平臺生物合成氣生物合成氣生 物 質(zhì)H2、甲烷、甲烷混合醇混合醇 衣康酸衣康酸 乙酰丙酸乙酰丙酸富馬酸富馬酸丁二酸丁二酸天冬氨酸天冬氨酸蘋果酸蘋果酸檸檬酸檸檬酸葡萄糖酸葡萄糖酸山梨醇山梨醇乳酸、甘油乳酸、甘油丙烯酸丙烯酸3-羥基丙酸羥基丙酸乙醇、乙烯乙醇、乙烯資源問題：生活資料和生產(chǎn)資料生產(chǎn)37Biodiesel cruise boat(Amsterdam, The Neth

17、erlands) Ethanol powered car (Sweden) Royal Nedalco truck at ethanol loading point (The Netherlands) Biodiesel filling stationBiodiesel-truck-loading(Germany) 能源問題：大力開發(fā)生物能源3801,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0001988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008YearChina Oil Production and Co

18、nsumption (thousand barrels per day)ProductionConsumptionNet importsOil Consumption and Production in China2009年進(jìn)口依存度已超過年進(jìn)口依存度已超過50%02004006008001,0001,2001,4001980 19831986 19891992 19951998 20012004YearOil Reserve (billion barrels)World TotalChina我國石油儲量只有全球的我國石油儲量只有全球的2%Oil Reserves in China39車用燃油

19、占我國石油消費(fèi)總量車用燃油占我國石油消費(fèi)總量的的三分之一三分之一車用燃油消耗每年車用燃油消耗每年遞增遞增15-16% 2015年車用燃油消費(fèi)量預(yù)計(jì)年車用燃油消費(fèi)量預(yù)計(jì)將達(dá)到全國石油消費(fèi)量的將達(dá)到全國石油消費(fèi)量的65%尋找性能相近、廉價尋找性能相近、廉價、清潔、可再生的車、清潔、可再生的車用替代燃料用替代燃料用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇、用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇、丁醇等！丁醇等！40環(huán)境問題：解決復(fù)雜環(huán)境問題的最經(jīng)濟(jì)有效手段 Pretreatment tank Aerobic reactor clearification Discharge Sludge condensedated 污污泥泥 濃濃縮

20、縮罐罐 Sludge Pump Air compressor Sludge disposal Legend wastewaterw 廢水管 Sludge Air dewater wastewater 異位生物修復(fù)原位生物修復(fù)土著原位工程原位廢水生物處理工程生物修復(fù)411 微生物菌株選育微生物菌株選育 微生物菌株選育、改造與功能優(yōu)化技術(shù)微生物菌株選育、改造與功能優(yōu)化技術(shù) 工業(yè)環(huán)境與自然環(huán)境的巨大差異微生物長期進(jìn)化的經(jīng)濟(jì)型生存本能微生物及其分子的適應(yīng)能力微生物效率與產(chǎn)率技術(shù)手段技術(shù)手段：代謝組學(xué)流量組學(xué)代謝工程生物信息學(xué)高通量篩選422 發(fā)酵工藝發(fā)酵工藝 發(fā)酵過程優(yōu)化、控制與反應(yīng)器技術(shù)發(fā)酵過程優(yōu)化

21、、控制與反應(yīng)器技術(shù)優(yōu)化的目標(biāo)是創(chuàng)造最適合微生物或優(yōu)化的目標(biāo)是創(chuàng)造最適合微生物或酶工作的環(huán)境酶工作的環(huán)境需要發(fā)展過程環(huán)境參數(shù)和微生物生需要發(fā)展過程環(huán)境參數(shù)和微生物生理參數(shù)的在線監(jiān)測技術(shù)理參數(shù)的在線監(jiān)測技術(shù)基于工業(yè)微生物生理的發(fā)酵過程基于工業(yè)微生物生理的發(fā)酵過程模型化、預(yù)測和控制技術(shù)模型化、預(yù)測和控制技術(shù) 基于人工智能的生物轉(zhuǎn)化過程精基于人工智能的生物轉(zhuǎn)化過程精細(xì)控制技術(shù)細(xì)控制技術(shù)433 單元操作單元操作 發(fā)酵工程過程工程技術(shù)發(fā)酵工程過程工程技術(shù)細(xì)胞群體效應(yīng)及過程細(xì)胞群體效應(yīng)及過程放大原理放大原理 多相復(fù)雜體系物質(zhì)和能多相復(fù)雜體系物質(zhì)和能量傳遞與生物轉(zhuǎn)化規(guī)律量傳遞與生物轉(zhuǎn)化規(guī)律 生物過程單元耦合與

22、過生物過程單元耦合與過程優(yōu)化原理程優(yōu)化原理 1 大規(guī)模細(xì)胞群體行為及過程放大大規(guī)模細(xì)胞群體行為及過程放大原理原理 3 多相生化特性分析及生物過程模多相生化特性分析及生物過程模型化型化 2 生化反應(yīng)過程放大原理與方法生化反應(yīng)過程放大原理與方法 4 生物生物/ /化學(xué)方法耦聯(lián)設(shè)計(jì)與調(diào)控化學(xué)方法耦聯(lián)設(shè)計(jì)與調(diào)控 5 工業(yè)生物過程單元耦合與集成工業(yè)生物過程單元耦合與集成 6 工業(yè)工業(yè)生物過程的系統(tǒng)控制與生物過程的系統(tǒng)控制與優(yōu)化優(yōu)化 444 發(fā)酵產(chǎn)品分離提取工藝發(fā)酵產(chǎn)品分離提取工藝發(fā)酵產(chǎn)品高效提取技術(shù)與裝備發(fā)酵產(chǎn)品高效提取技術(shù)與裝備發(fā)酵罐發(fā)酵罐 1、 提高產(chǎn)品收率提高產(chǎn)品收率2、 降低生產(chǎn)成本降低生產(chǎn)成本

23、目標(biāo) 生物反應(yīng)與產(chǎn)物分離的耦生物反應(yīng)與產(chǎn)物分離的耦合技術(shù)合技術(shù) 新型分離介質(zhì)和新型分離新型分離介質(zhì)和新型分離方法方法45利用微生物細(xì)胞或酶的生物催化功能，進(jìn)行大規(guī)模的物質(zhì)加工與利用微生物細(xì)胞或酶的生物催化功能，進(jìn)行大規(guī)模的物質(zhì)加工與轉(zhuǎn)化的先進(jìn)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)化的先進(jìn)生產(chǎn)方式針對高污染、高能耗的化學(xué)工業(yè)過程，以生物加工取代化學(xué)加工針對高污染、高能耗的化學(xué)工業(yè)過程，以生物加工取代化學(xué)加工5 廢物處理廢物處理綠色制造工藝的開發(fā)綠色制造工藝的開發(fā)采用酶技術(shù)等方法，改造造紙、皮革、紡織、醫(yī)藥、食品等行業(yè)采用酶技術(shù)等方法，改造造紙、皮革、紡織、醫(yī)藥、食品等行業(yè)節(jié)約能耗、降低水資源消耗、降低污染物排放、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友

24、好過程節(jié)約能耗、降低水資源消耗、降低污染物排放、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好過程461 微生物能夠積累最大目的微生物能夠積累最大目的產(chǎn)物產(chǎn)物(產(chǎn)量產(chǎn)量)的的條件條件是什么？是什么？ 高產(chǎn)量高產(chǎn)量 便于產(chǎn)品分離便于產(chǎn)品分離提取提取關(guān)鍵問題關(guān)鍵問題工程意義工程意義2 底物最多被微生物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)底物最多被微生物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物物(轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率)的的條件條件是什么？是什么？糧食原料為底物糧食原料為底物 高轉(zhuǎn)高轉(zhuǎn)化率化率 降低原料成本降低原料成本3 微生物最快速度發(fā)酵生產(chǎn)微生物最快速度發(fā)酵生產(chǎn)目的產(chǎn)物的目的產(chǎn)物的條件條件是什么？是什么？分批操作為主分批操作為主 高生產(chǎn)高生產(chǎn)強(qiáng)度強(qiáng)度 縮短生產(chǎn)周期縮短生產(chǎn)周期47基于細(xì)胞表觀特性

25、進(jìn)行優(yōu)化基于細(xì)胞表觀特性進(jìn)行優(yōu)化0 4 8 12 16 t / h d (DCW) / (g/L) A 0 20 40 60 80 100 120 140 t / h r (Glucose) / (g/L) B 0 20 40 60 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t / h r (Pyruvate) / (g/L) C 基于細(xì)胞內(nèi)部分析進(jìn)行優(yōu)化基于細(xì)胞內(nèi)部分析進(jìn)行優(yōu)化高產(chǎn)量高產(chǎn)量高底高底物轉(zhuǎn)物轉(zhuǎn)化率化率高生高生產(chǎn)強(qiáng)產(chǎn)強(qiáng)度度優(yōu)化策略優(yōu)化策略在理論和技術(shù)上有突破在理論和技術(shù)上有突破, ,在工業(yè)生產(chǎn)中能廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中能廣泛應(yīng)用顯著提高發(fā)酵過程的經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性顯著提高

26、發(fā)酵過程的經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性48舉例：丙酮酸發(fā)酵舉例：丙酮酸發(fā)酵GlucosePyruvateAlanineAcetaldehydeEthanolCitrateOAA -KGAcCoAPyruvateOAAPDH(B1, NA)PDC (B1) PT (B6) PC (Bio) B1： 硫胺素硫胺素NA： 煙酸煙酸Bio：生物素：生物素B6： 吡哆醛吡哆醛GlucosePyruvate如何得到丙酮酸高產(chǎn)量發(fā)酵？如何得到丙酮酸高產(chǎn)量發(fā)酵？-菌株選育和培養(yǎng)條件優(yōu)化菌株選育和培養(yǎng)條件優(yōu)化XXXX選育自身不能合成維生素的酵母選育自身不能合成維生素的酵母( (維生素缺陷型維生素缺陷型) )控制培養(yǎng)基中維生素

27、濃度控制培養(yǎng)基中維生素濃度Li Y ，Chen J ， Lun S. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001, 55:680-685, 57:471-479.Li Y, Chen J, Liang D, Lun S-Y. J. Biotechnol. 2000, 81:27-3449t 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 1 2 3 E qs / h-1 t / h 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 F qp / h 0 0.2 0.4 0.6 0.8 m / h-1 1 2 3 -1D 動力學(xué)分析高高溶氧溶

28、氧下，丙酮酸轉(zhuǎn)下，丙酮酸轉(zhuǎn)化率較高，但生產(chǎn)強(qiáng)化率較高，但生產(chǎn)強(qiáng)度度(葡萄糖消耗速度葡萄糖消耗速度)較較低低低溶氧下，葡萄糖消低溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙耗速度加快，然而丙酮酸產(chǎn)率卻明顯下降酮酸產(chǎn)率卻明顯下降代謝網(wǎng)絡(luò)分析PyrEt14.7PEP74.65.5OAAAcCoA7.9PyrEt14.7PEP74.65.5OAAAcCoA7.9DO=10%PyrEt2.4PEP94.66.1OAAAcCoA8.7PyrEt2.4PEP94.66.1OAAAcCoA8.7DO=85%PEP到Pyr的通量增加了20%，丙酮酸進(jìn)一步代謝的通量下降了63.3%高溶氧下轉(zhuǎn)化率高的原因如何提高丙酮酸發(fā)酵的

29、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度？如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度？-分階段溶氧控制分階段溶氧控制輔因子分析NADHATP39.0NADHATP39.0NADHATP20.7NADHATP20.7總總ATP下降下降31.4%, NADH下降下降18.6%生產(chǎn)強(qiáng)度(葡萄糖消耗速度)59低溶氧生產(chǎn)強(qiáng)度高的原因DO=10%DO=85%Liming Liu, *Jian Chen. Journal of Biotechnology, 2006, 126(2):173-185 Li-Ming Liu, *Jian Chen. FEMS Yeast Research, 2006, 6:11171129 50高產(chǎn)量高產(chǎn)

30、量(89.4 g/L)高產(chǎn)率高產(chǎn)率(0.636 g/g)高生產(chǎn)強(qiáng)度高生產(chǎn)強(qiáng)度(1.95 g/(L h) 確定分階段供氧模式:發(fā)酵0-16 h控制kLa為450 h-1，16 h后將kLa降低至200 h-1碳平衡分析前16 h較高溶氧有利于碳流合成細(xì)胞；采用單一高或低供氧模式，不能同時達(dá)到高轉(zhuǎn)化率和高生產(chǎn)強(qiáng)度！采用單一高或低供氧模式，不能同時達(dá)到高轉(zhuǎn)化率和高生產(chǎn)強(qiáng)度！16 h后耗氧速率恒定，碳流轉(zhuǎn)向合成丙酮酸結(jié)果 016h 1632h 3248h after 48h kL a / h-1 450 300 200 450 300 200 450 300 200 450 300 200 Gluco

31、se1 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Cell growth2 47 30 27 17 13 16 13 13 11 3 10 11 Pyruvate 44 41 32 80 60 55 83 70 57 82 78 41 Ethanol 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Residual carbon 7 27 39 3 27 29 5 17 32 14 12 48 如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度?-?-分階段溶氧控制分階段溶氧控制分階段溶氧控制！如何分階段？分階段溶氧控

32、制！如何分階段？Liming Liu,*Jian Chen. Biotechnology and Bioengineering, 2007, 97(4):825-832 Liming Liu, *Jian Chen. Journal of Biotechnology, 2006, 126(2):173-185 511 發(fā)酵工程是工業(yè)生物技術(shù)的主要部分，由于國家需求發(fā)酵工程是工業(yè)生物技術(shù)的主要部分，由于國家需求和社會發(fā)展，主要目標(biāo)已從生活資料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向解決資和社會發(fā)展，主要目標(biāo)已從生活資料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向解決資源、能源和環(huán)境問題源、能源和環(huán)境問題2 發(fā)酵工程的技術(shù)內(nèi)涵，已經(jīng)從主要是工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，發(fā)酵工

33、程的技術(shù)內(nèi)涵，已經(jīng)從主要是工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，發(fā)展為緊密依靠生物學(xué)、工程學(xué)基礎(chǔ)研究的工程技術(shù)發(fā)展為緊密依靠生物學(xué)、工程學(xué)基礎(chǔ)研究的工程技術(shù)3 發(fā)酵工業(yè)與其它學(xué)科的交叉，已經(jīng)從產(chǎn)品生產(chǎn)過程拓發(fā)酵工業(yè)與其它學(xué)科的交叉，已經(jīng)從產(chǎn)品生產(chǎn)過程拓展到關(guān)鍵技術(shù)、方法學(xué)展到關(guān)鍵技術(shù)、方法學(xué)52 生產(chǎn)規(guī)模大生產(chǎn)規(guī)模大v醋、醬油、啤酒等產(chǎn)量世界第一醋、醬油、啤酒等產(chǎn)量世界第一v抗生素，如青霉素等產(chǎn)量世界第一抗生素，如青霉素等產(chǎn)量世界第一v維生素維生素C、氨基酸、氨基酸(味精味精) 、有機(jī)酸、有機(jī)酸(如檸檬酸）等如檸檬酸）等產(chǎn)量世界第一產(chǎn)量世界第一產(chǎn)品種類多產(chǎn)品種類多 5000多家多家, 相關(guān)產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值超過相關(guān)產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值

34、超過2萬億元，占國民萬億元，占國民經(jīng)濟(jì)的經(jīng)濟(jì)的20%中國是發(fā)酵工業(yè)大國中國是發(fā)酵工業(yè)大國53工藝技術(shù)落后工藝技術(shù)落后產(chǎn)產(chǎn) 品品國內(nèi)水平國內(nèi)水平國際水平國際水平谷氨酸谷氨酸產(chǎn)酸產(chǎn)酸12-13%，轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率45-55%15-18%，60-65%檸檬酸檸檬酸產(chǎn)酸產(chǎn)酸14-16 25 頭孢菌素頭孢菌素30000-35000 u/ml 40000 u/ml以上以上 維生素維生素C糖酸轉(zhuǎn)化率糖酸轉(zhuǎn)化率 94 糖酸轉(zhuǎn)化率糖酸轉(zhuǎn)化率97 環(huán)境污染嚴(yán)重環(huán)境污染嚴(yán)重每年廢水達(dá)每年廢水達(dá)80億億m3(工業(yè)排放總量工業(yè)排放總量10%)，COD排放排放500萬噸萬噸(20)生產(chǎn)水平低生產(chǎn)水平低25%-45%、能耗高

35、、能耗高40%、水耗高、水耗高55%產(chǎn)產(chǎn) 品品每噸排放廢水每噸排放廢水硫氰酸紅霉素硫氰酸紅霉素500噸，噸，COD10萬萬mg/L 味精味精COD6-7萬萬mg/L廢母液近廢母液近20噸，總排噸，總排400噸噸檸檬酸檸檬酸COD1-4萬萬 mg/L中和廢水中和廢水10噸，總排噸，總排300噸噸 創(chuàng)新品種較少創(chuàng)新品種較少 部分產(chǎn)品長期依賴進(jìn)口部分產(chǎn)品長期依賴進(jìn)口中國不是發(fā)酵工業(yè)強(qiáng)國中國不是發(fā)酵工業(yè)強(qiáng)國54發(fā)酵工程的未來發(fā)酵工程的未來 55蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 組學(xué)組學(xué)Discovery-driven轉(zhuǎn)錄組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)代謝組學(xué)代謝組學(xué) 通量組學(xué)通量組學(xué)DNA芯片技術(shù)芯片技術(shù)二維電泳二維電泳/質(zhì)譜技術(shù)

36、質(zhì)譜技術(shù)多維色譜多維色譜/質(zhì)譜技術(shù)質(zhì)譜技術(shù)同位素同位素-核磁共振技術(shù)核磁共振技術(shù)計(jì)算生物學(xué)計(jì)算生物學(xué)基因組模型化技術(shù)基因組模型化技術(shù)實(shí)驗(yàn)生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)生物科學(xué)Hypothesis-driven分子遺傳學(xué)分子遺傳學(xué)分子微生物學(xué)分子微生物學(xué)蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程結(jié)構(gòu)生物學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)代謝工程代謝工程重組重組DNA技術(shù)技術(shù)蛋白質(zhì)結(jié)晶及蛋白質(zhì)結(jié)晶及晶體衍射技術(shù)晶體衍射技術(shù)酶的定向酶的定向進(jìn)化技術(shù)進(jìn)化技術(shù)高通量高通量篩選技術(shù)篩選技術(shù)微生物生理學(xué)微生物生理學(xué)反向代謝反向代謝工程技術(shù)工程技術(shù)細(xì)胞功能認(rèn)識細(xì)胞功能認(rèn)識和優(yōu)化和優(yōu)化生物學(xué)知識和技術(shù)生物學(xué)知識和技術(shù)56工程學(xué)方法和規(guī)律工程學(xué)方法和規(guī)律工業(yè)生物工業(yè)生物過程過程細(xì)胞群體效應(yīng)細(xì)胞群體效應(yīng)生化、生理特性分析生化、生理特性分析物質(zhì)和能量傳遞模型物質(zhì)和能量傳遞模型過程放大原理和策略過程放大原理和策略發(fā)酵優(yōu)化發(fā)酵優(yōu)化系統(tǒng)全局優(yōu)化與集成系統(tǒng)全局優(yōu)化與集成過程優(yōu)化過程優(yōu)化細(xì)胞群體效應(yīng)調(diào)細(xì)胞群體效應(yīng)調(diào)控的直接放大控的直接放大生物生物/ /化學(xué)方法化學(xué)方法級聯(lián)的系統(tǒng)優(yōu)化級聯(lián)的系統(tǒng)優(yōu)化多產(chǎn)物聯(lián)產(chǎn)目標(biāo)多產(chǎn)物聯(lián)產(chǎn)目標(biāo)的全局調(diào)控的全局調(diào)控發(fā) 現(xiàn)和 認(rèn)識創(chuàng) 新技 術(shù)和 方法集成集成優(yōu)化優(yōu)化細(xì)胞細(xì)胞群體群體單元單元過程過程系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)化反應(yīng)