發(fā)酵工程-生物技術(shù)時代中的

生物技術(shù)的四大支柱發(fā)酵工程WhatareMicroorganisms?Virus(病毒） Non-cellmicrobesBacteria(細菌） Archaea(遠古細菌）Algae(藻類）Fungi(真菌:酵母、霉菌）Protozoa(原生動物）Eukaryotes(真核生物）Prokaryotes(原核生物)Microorganismsarefree-livingcellsPlantsandAnimalsarecomposedofmanycells,thesearemulticellular.Microorganismsarefree-livingcells.WhatareProkaryotes?Prokaryotes:Bacteria(細菌)Archaea(遠古細菌)Actinomycetes(放線菌)Mycoplasma(支原體)Rickettsia(立克氏體)Chlamydia(衣原體)Cyanobacteria(籃細菌)WhatareEukaryoticMicroorganisms?AlgaeFungiSlimemoldsProtozoaProkaryoticandeukatypticcellsVirus:Virus,ViroidsandPrionsIsMicrobiologyUseful?Yes!Asabasicbiologicalscience,themostaccessibleresearchtoolsforprobingthenatureoflifeprocessesAsanappliedbiologicalscience,manylargescaleindustrialprocessesaremicrobiallybased:BIOTECHNOLOGYProductsfromMicroorganismsGeneticallyEngineeredMicroorganismsManyhigh-value-addedpeptidedrugsareproducedbygeneticallyengineeredmicro-organisms:Bloodproteins(Erythropoietin,FactorsVII,VIII,IX)Humanhormones(Epidermalgrowthfactor,Humangrowthhormone,Insulin,Nervegrowthfactor)Immunemodulators(a-Interferon,b-Interferon)Vaccines(HepatitisB,Measles,Rabies)FiveCommonCharacteristicsofMicroorganisms1.Smallvolume,largesurfacearea2.Fastabsorptionandconversion3.Rapidduplicationandgrowth4.Strongadaptability5.WidespreaddistributionanddiversifiedspeciesFiveCommonCharacteristicsofMicroorganisms1.Smallvolume,largesurfacearea.Figureontheleft:Thesizeofavirusincomparisontoabacterialandanimalcell.FiveCommonCharacteristicsofMicroorganisms2.FastabsorptionandconversionForexample:5g/lofbacteria(celldryweight)AzotobactervinelandiiUWDcanconsumed10g/lofglucosetodoubleitsweightto10g/lwithinlessthan5h.Howaboutyou?FiveCommonCharacteristicsofMicroorganisms3.RapidduplicationandgrowthAnEcherischecoli(大腸桿菌））cellcandoubleitselfwithin15minutes,italsomeansitsweightincreasesonefoldwithin15minutes.Howfastcanyougrow??FiveCommonCharacteristicsofMicroorganisms4.Strongadaptability(Adapttoextremenvironment,suchashighsaltconcentration,hightemperature,antibioticresistant)FiveCommonCharacteristicsofMicroorganisms5.WidespreaddistributionanddiversifiedspeciesImportantPersonsinMicrobiologyHistory1684AntonievanLeeuwenhoek(discoveryofbacteria)1857-1864LouisPasteur(lacticacidfermentation,yeastalcoholfermentation,spontaneousgenerationtheory)1881-1884RobertKoch(pureculture,causeoftuberculosis,Koch’’spostulates,causeof(霍亂)cholera）1889MartinusBeijerinck(conceptofavirus)1929AlexanderFleming(discoveryofpenicilin)1953JamesWatson,FrancisCrick(DNAstructure)1983LucMontagnier(discoveryofHIV)MicroorganismsascellsAllcellscontain:proteins,nucleicacids,lipidsandpolysaccharides(forourlab:polyhydroxyalkanoatesorPHA)Thehallmarksofacell:1.Self-feedingornutrition2.Self-replicationorgrowth3.Differentiation4.Chemicalsignaling5.EvolutionAllcellscontainsixmajorelements::C,N,P,S,O,HHowaremicroorganismscultivated?PetriDisksShakeFlasksFermentorLaboratoryCultureofMicroorganismsC:Organic-Definedmedia:glucose,sucrose,acetate,pyruvate,malate,fattyacids,alkanesetal.Complexmedia:yeastextract,beefextract,peptone,manyothercomplexdigests.Inorganic-CO2,HCO3-N:Organic-Aminoacids,nitrogenousbases;Inorganic-NH4Cl,(NH4)2SO4,KNO3,N2.P:KH2PO4,Na2HPO4.S:NaSO4,H2S.K:KCl,K2HPO4Mg:MgCl2,MgSO41.5%AgarPetriDiskCultivationofaPureStrainTheimpactofmicroorganismsonhumanaffairsPilotBiostatUD50發(fā)酵工程發(fā)酵工程是是指利用微微生物的特特定性狀，，通過現(xiàn)代代工程技術(shù)術(shù)，在生物物的反應(yīng)器器中生產(chǎn)有有用物質(zhì)的的一種技術(shù)術(shù)系統(tǒng)。當當前的醫(yī)用用和農(nóng)用抗抗生素絕大大部分是發(fā)發(fā)酵的產(chǎn)品品，此外發(fā)發(fā)酵工程產(chǎn)產(chǎn)品還包括括氨基酸、、工業(yè)用酶酶等，人們們?nèi)粘Ｉ罨钪袕V泛使使用的味精精、維生素素B2等也是發(fā)酵酵工程的產(chǎn)產(chǎn)品。發(fā)酵工程的的定義發(fā)酵工程（（微生物工工程，發(fā)酵酵技術(shù)），，是指利用用微生物的的特定性狀狀，通過現(xiàn)現(xiàn)代工程技技術(shù)，在生生物的反應(yīng)應(yīng)器中生產(chǎn)產(chǎn)有用物質(zhì)質(zhì)的一種技技術(shù)系統(tǒng)。。發(fā)酵工程是是“研究利利用微生物物的工業(yè)，，即微生物物參與的工工藝過程””。發(fā)酵工程的的歷史發(fā)展展19世紀末末：厭氧發(fā)發(fā)酵（酒精精、乳酸、、發(fā)酵食品品）1945年年：通氣攪攪拌發(fā)酵罐罐--好氧氧發(fā)酵（青青霉素等抗抗生素）20世紀50年代：：代謝控制制發(fā)酵（氨氨基酸、核核酸等）20世紀70年代：：固定化酶酶連續(xù)發(fā)酵酵20世紀80年代：：現(xiàn)代發(fā)酵酵工程技術(shù)術(shù)（與基因因操作技術(shù)術(shù)相結(jié)合））20世紀末末：人類基基因組計劃劃發(fā)酵工程是是生物技術(shù)術(shù)產(chǎn)業(yè)化的的基礎(chǔ)和關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，，是生物物技術(shù)四大大支柱的核核心，無論論傳統(tǒng)發(fā)酵酵產(chǎn)品，如如抗生素、、氨基酸等等，還是現(xiàn)現(xiàn)代基因工工程產(chǎn)品，，如疫苗、、人體蛋白白質(zhì)等，都都需要發(fā)酵酵技術(shù)進行行生產(chǎn)。發(fā)酵工程在在現(xiàn)代生物物技術(shù)中的的地位和作用用發(fā)酵工程關(guān)關(guān)鍵技術(shù)生物反應(yīng)器器：機機械攪拌式式

氣升升式過程參數(shù)檢檢測（實時時在線與離離線）：pH，溶氧，溫度度，攪拌菌菌體，，產(chǎn)物，，底物，RQ等發(fā)酵過程控控制：pH，溶氧，溫度度，底物流流加等發(fā)酵設(shè)備及及檢測控制制系統(tǒng)B|Braun公司發(fā)酵罐：Biostat系列參數(shù)檢測多級控制：：人人工DCUMFCSBiostatB2BiostatED10PilotBiostatUD50DCUMFCSFermentorDisplayHistoryPlot國內(nèi)、外發(fā)發(fā)酵設(shè)備公公司德國貝朗占中國80%以上的市場場瑞士比歐美國NBS韓國日本華東理工大大學(xué)江蘇理工大大學(xué)現(xiàn)代發(fā)酵工工程規(guī)模低值工業(yè)品品大型化以規(guī)模來取取勝（幾十十數(shù)百噸））。如味精精、氨基酸酸、有機酸酸、抗生素素、飼料、、食品工業(yè)業(yè)用產(chǎn)品等等；高價值轉(zhuǎn)基基因產(chǎn)品小小型化（幾十數(shù)百百升）?；蚬こ檀蟠竽c桿菌、、酵母菌高高密度培養(yǎng)養(yǎng)；動物細細胞植物細細胞培養(yǎng)；；研究中心智智能化、全全能性。現(xiàn)代發(fā)酵工工程對工藝控制制的需要規(guī)模生產(chǎn)GMP規(guī)范對過程程文檔化的的要求必必要的檢檢測手段準準確的的執(zhí)行成熟熟的工藝控控制策略實驗室研究究完完善的檢測測手段全全能性的的過程控制制軟件發(fā)酵過程工工藝的后續(xù)改進研研究青霉素（幾幾百倍的提提高）菌種改造要求新新工藝市場競爭要要求成本降降低新的工藝控制策策略以以高密度培培養(yǎng)為例應(yīng)用實例GLN簡介菌種改良工藝改造：：

搖瓶瓶BiostatB2BiostatED10BiostatUD505t罐中試發(fā)酵酵GLN發(fā)酵工藝優(yōu)優(yōu)化Gln簡介介目前國內(nèi)生生產(chǎn)谷氨酰酰胺的專業(yè)業(yè)廠家只有有3--4家，其生產(chǎn)產(chǎn)能力低，，而且采用用的是化學(xué)學(xué)合成法，，其成本高高，質(zhì)量難難以控制，，不能滿足足市場需求求。谷氨酰胺是是一種功能能性食品添添加劑，可可廣泛用于于保健食品品、運動飲飲料、醫(yī)藥藥等領(lǐng)域，，在防治消消化器官潰