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1、发酵工程原理与技术发酵工程原理与技术1第一章第一章 绪论绪论 2课时课时第二章第二章 微生物菌种制备微生物菌种制备 原理与技术原理与技术 4课课时时2本章内容本章内容第一节第一节 什么是发酵工程？什么是发酵工程？第二节第二节 发酵工程的过去和现在发酵工程的过去和现在 第三节第三节 发酵工程的未来发酵工程的未来 3什么是发酵工程？什么是发酵工程？45以以生命科学生命科学为基础为基础结合先进的结合先进的工程技术工程技术手段和手段和其它自然科学原理其它自然科学原理按按照预先的设计改造生物体照预先的设计改造生物体利用利用微生物、动物或植物体微生物、动物或植物体对原料进行加工对原料进行加工生产出人类所需
2、生产出人类所需产品产品或达到或达到某种目的的技术某种目的的技术生物技术生物技术6 微生物菌株（自然分离）微生物菌株（自然分离）原料原料 淀粉、糖蜜、淀粉、糖蜜、诱变育种诱变育种 杂交育种杂交育种 基因工程基因工程 细胞工程细胞工程 纤维质原料、纤维质原料、高分子化合物高分子化合物突变体突变体 重组体重组体 葡萄糖及其它葡萄糖及其它固定化细胞、酶固定化细胞、酶 生化工程生化工程菌体菌体 产物产物 异种生异种生物产物物产物单细胞蛋白单细胞蛋白 氨基酸、有机酸氨基酸、有机酸 胰岛素、生长激素胰岛素、生长激素生物催化用细胞生物催化用细胞 抗生素、酶等抗生素、酶等 干扰素等干扰素等发酵：微生物培养和代谢
3、发酵：微生物培养和代谢生物技术与发酵工程生物技术与发酵工程7发酵：生物发酵：生物反应过程反应过程上游上游加工过程加工过程加工过程加工过程下游下游成本经济学成本经济学原料原料的生物的生物具有具有应用价值应用价值目的产物目的产物大规模大规模工艺开发工艺开发传统诱变、传统诱变、分子生物分子生物学、组学学、组学发酵产品工程发酵产品工程8获得应用价值的微生物反应器放大发酵过程优化和控制发酵过程研究发酵过程研究发酵产物分离提取9发酵：生物发酵：生物反应过程反应过程上游上游加工过程加工过程加工过程加工过程下游下游成本经济学成本经济学原料原料的生物的生物具有具有应用价值应用价值目的产物目的产物大规模大规模工艺
4、开发工艺开发传统诱变、传统诱变、分子生物分子生物学、组学学、组学什么是发酵工程？什么是发酵工程？广义的概念：生物学广义的概念：生物学(微生物学、微生物学、生物化学生物化学)和工程学和工程学(化学工程化学工程)结合结合t 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 狭义的发酵概念：微生物培养狭义的发酵概念：微生物培养和代谢过程和代谢过程微生物生长微生物生长底物消耗底物消耗产物生成产物生成10什么
5、是发酵工业？什么是发酵工业？11第一阶段1900年前年前酒精、醋酒精、醋 使用温度计，比使用温度计，比重计和热交换器重计和热交换器 分批培养分批培养使用纯酵母培养使用纯酵母培养物物(1896),用优质用优质醋接种发酵醋接种发酵 第二阶段19001940面包酵母，甘油，面包酵母，甘油，柠檬酸和丙酮丁醇柠檬酸和丙酮丁醇 pH离线控制，温离线控制，温度控制度控制 分批和补料培养分批和补料培养应用纯培养技术应用纯培养技术 第三阶段1940目前目前青霉素，氨基酸，青霉素，氨基酸，核苷酸，酶核苷酸，酶 可灭菌的可灭菌的pH和溶和溶氧电极，计算机控氧电极，计算机控制制 分批和补料，连分批和补料，连续培养开始
6、续培养开始菌种筛选程序重菌种筛选程序重要要 发酵工程的过去发酵工业发展年鉴由食品工业向非由食品工业向非食品工业发展食品工业发展抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业12第四阶段1960目前目前用烃和和别的贮用烃和和别的贮存物生产单细胞蛋存物生产单细胞蛋白白 计算机控制计算机控制连续培养连续培养+培养培养基再循环基再循环 生产菌株的遗传生产菌株的遗传工程技术工程技术 第五阶段1979目前目前通常微生物不产生通常微生物不产生的异质化合物，如的异质化合物，如胰岛素，干扰素胰岛素，干扰素 更先进的控制手段更先进的控制手段和传感器和传感器 分批，补料分批，补料-分批分批或连续或连续 用基因工程技术将用基因工程技术
7、将外源基因引入微生外源基因引入微生物宿主物宿主 第六阶段1990目前目前解决能源、资源、解决能源、资源、环境等问题的工业环境等问题的工业应用应用基因组学、蛋白组基因组学、蛋白组学、代谢组学等技学、代谢组学等技术紧密结合术紧密结合代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术组学技术与发酵工程组学技术与发酵工程发酵工程的过去发酵工业发展年鉴131980-19901991-20002001-生物医药生物医药公公司司数数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转基因植物转基因植物工业生物技术工业生物技术发酵工程的现在生物技术的三次浪潮14生物质原料化学品化学品精细化学品精细化学品大宗化学品
8、大宗化学品食品添加剂食品添加剂生物塑料生物塑料溶剂溶剂酚类酚类粘合剂粘合剂脂肪酸脂肪酸碳黑、颜料碳黑、颜料燃料、香料、墨水燃料、香料、墨水洗涤剂洗涤剂生物能源生物能源生物酒精生物酒精生物柴油生物柴油甲醇甲醇氢气氢气沼气沼气工业生物技术主要部分工业生物技术主要部分-发酵工程发酵工程15SGC2C3C5C6C4淀粉淀粉半纤维素半纤维素纤维素纤维素木质素木质素油脂油脂蛋白质蛋白质碳水化合物碳水化合物糖平台糖平台 葡萄糖葡萄糖 果糖果糖 木糖木糖 阿拉伯糖阿拉伯糖热化学平台热化学平台生物合成气生物合成气生 物 质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马酸富马酸丁二酸丁二酸天冬氨
9、酸天冬氨酸苹果酸苹果酸柠檬酸柠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-羟基丙酸羟基丙酸乙醇、乙烯乙醇、乙烯资源问题：生活资料和生产资料生产发酵工程的现在解决的问题16Biodiesel cruise boat(Amsterdam,The Netherlands)Ethanol powered car(Sweden)Royal Nedalco truck at ethanol loading point(The Netherlands)Biodiesel filling stationBiodiesel-truck-loading(Germany)能源问题：大力开发生
10、物能源发酵工程的现在解决的问题17Oil Consumption and Production in China我国石油储量只有全球的我国石油储量只有全球的2%Oil Reserves in China举例：开发生物能源中国中国2017年全年的日均原油进口量为年全年的日均原油进口量为840万万桶桶/日日18车用燃油占我国石油消费总量车用燃油占我国石油消费总量的的三分之一三分之一车用燃油消耗每年车用燃油消耗每年递增递增15-16%寻找性能相近、廉价、寻找性能相近、廉价、清洁、可再生的车用清洁、可再生的车用替代燃料替代燃料用生物质发酵生产生物乙醇、用生物质发酵生产生物乙醇、丁醇等！丁醇等！举例：开
11、发生物能源19环境问题：解决复杂环境问题的最经济有效手段异位生物修复原位生物修复土著原位工程原位废水生物处理工程生物修复发酵工程的现在解决的问题201 微生物菌株选育微生物菌株选育 微生物菌株选育、改造与功能优化技术微生物菌株选育、改造与功能优化技术 工业环境与自然环境的巨大差异微生物长期进化的经济型生存本能发酵工程发酵工程的障碍的障碍微生物及其分子的适应能力微生物效率与产率技术手段技术手段：代谢组学流量组学代谢工程生物信息学高通量筛选发酵工程的现在研究的内容212 发酵工艺发酵工艺 发酵过程优化、控制与反应器技术发酵过程优化、控制与反应器技术 优化的目标是创造最适合微生物或优化的目标是创造最
12、适合微生物或酶工作的环境酶工作的环境 需要发展过程环境参数和微生物生需要发展过程环境参数和微生物生理参数的在线监测技术理参数的在线监测技术 基于工业微生物生理的发酵过程基于工业微生物生理的发酵过程模型化、预测和控制技术模型化、预测和控制技术 基于人工智能的生物转化过程精基于人工智能的生物转化过程精细控制技术细控制技术发酵工程的现在研究的内容223 单元操作单元操作 发酵工程过程工程技术发酵工程过程工程技术细胞群体效应及过程细胞群体效应及过程放大原理放大原理 多相复杂体系物质和能多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律量传递与生物转化规律 生物过程单元耦合与过生物过程单元耦合与过程优化原理程优化
13、原理 1 大规模细胞群体行为及过程放大原大规模细胞群体行为及过程放大原理理 3 多相生化特性分析及生物过程模型多相生化特性分析及生物过程模型化化 2 生化反应过程放大原理与方法生化反应过程放大原理与方法 4 生物生物/化学方法耦联设计与调控化学方法耦联设计与调控 5 工业生物过程单元耦合与集成工业生物过程单元耦合与集成 6 工业生物过程的系统控制与优化工业生物过程的系统控制与优化 发酵工程的现在研究的内容234 发酵产品分离提取工艺发酵产品分离提取工艺发酵产品高效提取技术与装备发酵产品高效提取技术与装备发酵罐发酵罐 1、提高产品收率提高产品收率2、降低生产成本降低生产成本目标 生物反应与产物分
14、离的耦生物反应与产物分离的耦合技术合技术 新型分离介质和新型分离新型分离介质和新型分离方法方法发酵工程的现在研究的内容24利用微生物细胞或酶的生物催化功能，进行大规模的物质加工与利用微生物细胞或酶的生物催化功能，进行大规模的物质加工与转化的先进生产方式转化的先进生产方式针对高污染、高能耗的化学工业过程，以生物加工取代化学加工针对高污染、高能耗的化学工业过程，以生物加工取代化学加工5 废物处理废物处理绿色制造工艺的开发绿色制造工艺的开发采用酶技术等方法，改造造纸、皮革、纺织、医药、食品等行业采用酶技术等方法，改造造纸、皮革、纺织、医药、食品等行业节约能耗、降低水资源消耗、降低污染物排放、实现环境
15、友好过程节约能耗、降低水资源消耗、降低污染物排放、实现环境友好过程发酵工程的现在研究的内容25发酵工程的现在关键技术问题1 微生物能够积累最大目的微生物能够积累最大目的产物产物(产量产量)的的条件条件是什么？是什么？高产量高产量 便于产品分离便于产品分离提取提取关键问题关键问题工程意义工程意义2 底物最多被微生物转化为产底物最多被微生物转化为产物物(转化率转化率)的的条件条件是什么？是什么？粮食原料为底物粮食原料为底物 高转高转化率化率 降低原料成本降低原料成本3 微生物最快速度发酵生产微生物最快速度发酵生产目的产物的目的产物的条件条件是什么？是什么？分批操作为主分批操作为主 高生产高生产强度
16、强度 缩短生产周期缩短生产周期26发酵工程的现在关键技术问题基于细胞表观特性进行优化基于细胞表观特性进行优化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 基于细胞内部分析进行优化基于细胞内部分析进行优化高产量高产量高底高底物转物转化率化率高生高生产强产强度度优化策略优化策略在理论和技术上有突破在理论和技术上有突破,在工业生产中能广泛应用在工业生产中能广泛应用
17、显著提高发酵过程的经济性和科学性显著提高发酵过程的经济性和科学性27举例：丙酮酸发酵举例：丙酮酸发酵GlucosePyruvateAlanineAcetaldehydeEthanolCitrateOAA-KGAcCoAPyruvateOAAPDH(B1,NA)PDC(B1)PT(B6)PC(Bio)B1：硫胺素硫胺素NA：烟酸烟酸Bio：生物素：生物素B6：吡哆醛吡哆醛GlucosePyruvate光滑球拟酵光滑球拟酵光滑球拟酵光滑球拟酵母中丙酮酸母中丙酮酸母中丙酮酸母中丙酮酸代谢途径代谢途径代谢途径代谢途径如何得到丙酮酸高产量发酵？如何得到丙酮酸高产量发酵？-菌株选育和培养条件优化菌株选育和
18、培养条件优化XXXX选育自身不能合成维生素的酵母选育自身不能合成维生素的酵母(维生素缺陷型维生素缺陷型)控制培养基中维生素浓度控制培养基中维生素浓度28高产量高产量(89.4 g/L)高产率高产率(0.636 g/g)高生产强度高生产强度(1.95 g/(L h)确定分阶段供氧模式:发酵0-16 h控制kLa为450 h-1，16 h后将kLa降低至200 h-1碳平衡分析前16 h较高溶氧有利于碳流合成细胞；采用单一高或低供氧模式，不能同时达到高转化率和高生产强度！采用单一高或低供氧模式，不能同时达到高转化率和高生产强度！16 h后耗氧速率恒定，碳流转向合成丙酮酸结果如何提高丙酮酸发酵的转化
19、率和生产强度如何提高丙酮酸发酵的转化率和生产强度?-?-分阶段溶氧控制分阶段溶氧控制分阶段溶氧控制！如何分阶段？分阶段溶氧控制！如何分阶段？29发酵工程的现在1 发酵工程是工业生物技术的主要部分，由于国家需求发酵工程是工业生物技术的主要部分，由于国家需求和社会发展，主要目标已从生活资料的生产转向和社会发展，主要目标已从生活资料的生产转向解决资解决资源、能源和环境问题源、能源和环境问题2 发酵工程的技术内涵，已经从主要是工业应用技术，发酵工程的技术内涵，已经从主要是工业应用技术，发展为紧密依靠生物学、工程学基础研究的发展为紧密依靠生物学、工程学基础研究的工程技术工程技术3 发酵工业与其它学科的交
20、叉，已经从产品生产过程拓发酵工业与其它学科的交叉，已经从产品生产过程拓展到展到关键技术、方法学关键技术、方法学30 生产规模大生产规模大v醋、酱油、啤酒等产量世界第一醋、酱油、啤酒等产量世界第一v抗生素，如青霉素等产量世界第一抗生素，如青霉素等产量世界第一v维生素维生素C、氨基酸、氨基酸(味精味精)、有机酸、有机酸(如柠檬酸）等产量世界第一如柠檬酸）等产量世界第一产品种类多产品种类多主要生物发酵产品产量从主要生物发酵产品产量从 2010 年的年的 1800 万吨增加到万吨增加到 2016 年的年的 2629 万吨，年总产值从万吨，年总产值从 2000 亿元增至亿元增至 3000 多亿元。多亿元
21、。我国生物发酵产业产品总量居我国生物发酵产业产品总量居世界第一位世界第一位，成为名符其实的发酵，成为名符其实的发酵大国。大国。中国是发酵工业大国中国是发酵工业大国发酵工业的现在31工艺技术落后工艺技术落后产产 品品国内水平国内水平国际水平国际水平谷氨酸谷氨酸产酸产酸12-13%，转化率，转化率45-55%15-18%，60-65%柠檬酸柠檬酸产酸产酸14-16 25 头孢菌素头孢菌素30000-35000 u/ml 40000 u/ml以上以上 维生素维生素C糖酸转化率糖酸转化率 94 糖酸转化率糖酸转化率97 环境污染严重环境污染严重每年废水达每年废水达80亿亿m3(工业排放总量工业排放总量
22、10%)，COD排放排放500万吨万吨(20)生产水平低生产水平低25%-45%、能耗高、能耗高40%、水耗高、水耗高55%产产 品品每吨排放废水每吨排放废水硫氰酸红霉素硫氰酸红霉素500吨，吨，COD10万万mg/L 味精味精COD6-7万万mg/L废母液近废母液近20吨，总排吨，总排400吨吨柠檬酸柠檬酸COD1-4万万 mg/L中和废水中和废水10吨，总排吨，总排300吨吨 创新品种较少创新品种较少 部分产品长期依赖进口部分产品长期依赖进口中国不是发酵工业强国中国不是发酵工业强国发酵工业的现在32工程学方法和规律工程学方法和规律工业生物工业生物过程过程细胞群体效应细胞群体效应生化、生理特
23、性分析生化、生理特性分析物质和能量传递模型物质和能量传递模型过程放大原理和策略过程放大原理和策略发酵优化发酵优化系统全局优化与集成系统全局优化与集成过程优化过程优化细胞群体效应调细胞群体效应调控的直接放大控的直接放大生物生物/化学方法级化学方法级联的系统优化联的系统优化多产物联产目标多产物联产目标的全局调控的全局调控发 现和 认识创 新技 术和 方法集成集成优化优化细胞细胞群体群体单元单元过程过程系统系统优化优化反应反应/分离单元耦分离单元耦合集成合集成生物生物/化学级联方化学级联方法法多目标联产方法多目标联产方法耦合技术耦合技术基于生理特性的直基于生理特性的直接放大接放大过程集成过程集成发酵
24、工程的未来33从发酵工业大国转为发酵工业强国从发酵工业大国转为发酵工业强国国内已形成较大规模，对国民经济产生重大影响的国内已形成较大规模，对国民经济产生重大影响的已形成出口能力，能参与国际竞争的已形成出口能力，能参与国际竞争的受知识产权限制，长期依赖进口，急需技术突破的受知识产权限制，长期依赖进口，急需技术突破的 产品选择产品选择产品选择产品选择 技术方向技术方向技术方向技术方向原料拓展原料拓展菌株改造菌株改造工艺优化工艺优化综合利用综合利用 整体目标整体目标整体目标整体目标提升发酵工业整体技术水平提升发酵工业整体技术水平提高产品经济技术指标提高产品经济技术指标增强国际竞争力增强国际竞争力创造重大的社会和经济效益。创造重大的社会和经济效益。中国发酵工业的未来