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1、1,第一章,发酵工程的过去、现在和未来,陈 坚江南大学生物工程学院,2,第一节 概论,1、什么是发酵工程？2、发酵工程的过去和现在 3、发酵工程的未来,3,什么是发酵工程？,4,以生命科学为基础结合先进的工程技术手段和其它自然科学原理按照预先的设计改造生物体利用微生物、动物或植物体对原料进行加工生产出人类所需产品或达到某种目的的技术,生物技术,5,微生物菌株（自然分离）原料 淀粉、糖蜜、诱变育种 杂交育种 基因工程 细胞工程 纤维质原料、高分子化合物突变体 重组体 葡萄糖及其它固定化细胞、酶 生化工程菌体 产物 异种生物产物单细胞蛋白 氨基酸、有机酸 胰岛素、生长激素生物催化用细胞 抗生素、酶
2、等 干扰素等,发酵：微生物培养和代谢,生物技术与发酵工程,6,发酵：生物反应过程,上游,加工过程,加工过程,下游,成本经济学,原料,的生物,具有,应用价值,目的产物,大规模,工艺开发,传统诱变、分子生物学、组学,发酵产品工程,7,从原料中得到糖,在发酵罐中发生？,发酵后得到产品,谷氨酸钠(味精),MSG发酵过程,8,产品分离提取,HA发酵过程,9,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,发酵产物分离提取,10,什么是发酵工程？,广义的概念：生物学(微生物学、生物化学)和工程学(化学工程)结合,狭义的发酵概念：微生物培养和代谢过程,微生物生长,底物消耗,产物生成,11
3、,传统发酵(生物食品)产业,生物健康食品业,食用菌业,乳酸菌饮料,泡 菜 业,微 藻 业,生物保健食品,生物食品添加剂及配料业,酒 精 业,维生素业,酵 母 业,药膳真菌,生物酿造食品业,啤 酒 业,酱 油 业,白 酒 业,葡萄酒业,黄 酒 业,果露酒业,食 醋 业,酱 行 业,腐 乳 业,其 他,氨基酸业,淀粉糖业,有机酸业,酶制剂业,生物防腐剂,其他,功能糖业,功能肽业,功能脂肪酸,生物色素,生物增稠剂,其 他,什么是发酵工业？,12,中国生物食品产业总规模(2004年)：2810亿元(6300万吨),生物食品酿造业 1580亿(4300万吨)，56%,生物健康食品业 670亿(1000万
4、吨)，24%,生物食品添加剂及配料业 560亿(1000万吨)，20%,发酵工业举例生物食品产业,13,发酵工程的过去和现在,14,发酵工程的过去发酵工业发展年鉴,由食品工业向非食品工业发展,抗菌素发酵工业,15,代谢控制发酵技术,组学技术与发酵工程,发酵工程的过去发酵工业发展年鉴,16,1980-1990,1991-2000,2001-,生物医药,公司数量,第一次浪潮,第二次浪潮,第三次浪潮,转基因植物,工业生物技术,发酵工程的现在生物技术的三次浪潮,17,生物质原料,化学品精细化学品大宗化学品食品添加剂生物塑料溶剂酚类粘合剂脂肪酸碳黑、颜料燃料、香料、墨水洗涤剂,生物能源生物酒精生物柴油甲
5、醇氢气沼气,工业生物技术主要部分-发酵工程,18,SG,C2,C3,C5,C6,C4,淀粉,半纤维素,纤维素,木质素,油脂,蛋白质,碳水化合物,糖平台 葡萄糖 果糖 木糖 阿拉伯糖,热化学平台生物合成气,生 物 质,H2、甲烷混合醇,衣康酸 乙酰丙酸,富马酸丁二酸天冬氨酸苹果酸,柠檬酸葡萄糖酸山梨醇,乳酸、甘油丙烯酸3-羟基丙酸,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,19,Biodiesel cruise boat(Amsterdam,The Netherlands),Ethanol powered car(Sweden),Royal Nedalco truc
6、k at ethanol loading point(The Netherlands),Biodiesel filling station,Biodiesel-truck-loading(Germany),能源问题：大力开发生物能源,发酵工程的现在解决的问题,20,Oil Consumption and Production in China,2005年进口依存度高达41.3%,我国石油储量只有全球的2%,Oil Reserves in China,举例：开发生物能源,21,车用燃油占我国石油消费总量的三分之一车用燃油消耗每年递增15-16%2015年车用燃油消费量预计将达到全国石油消费量的6
7、5%,寻找性能相近、廉价、清洁、可再生的车用替代燃料,用生物质发酵生产生物乙醇、丁醇等！,举例：开发生物能源,22,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,23,1 微生物菌株选育 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：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,24,2 发酵工艺 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
8、生物或酶工作的环境 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,基于工业微生物生理的发酵过程模型化、预测和控制技术 基于人工智能的生物转化过程精细控制技术,发酵工程的现在研究的内容,25,3 单元操作 发酵工程过程工程技术,细胞群体效应及过程放大原理,多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律,生物过程单元耦合与过程优化原理,1 大规模细胞群体行为及过程放大原理,3 多相生化特性分析及生物过程模型化,2 生化反应过程放大原理与方法,4 生物/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,6 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,26,4 发酵产品分离提取工艺发
9、酵产品高效提取技术与装备,发酵罐,1、提高产品收率2、降低生产成本,目标,生物反应与产物分离的耦合技术 新型分离介质和新型分离方法,发酵工程的现在研究的内容,27,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,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,28,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产物(产量)的条件是什么？,高产量 便于产品分离提取,关键问题,工程
10、意义,2 底物最多被微生物转化为产物(转化率)的条件是什么？,粮食原料为底物 高转化率 降低原料成本,3 微生物最快速度发酵生产目的产物的条件是什么？,分批操作为主 高生产强度 缩短生产周期,29,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,基于细胞内部分析进行优化,高产量,高底物转化率,高生产强度,优化策略,在理论和技术上有突破,在工业生产中能广泛应用显著提高发酵过程的经济性和科学性,30,举例：丙酮酸发酵,Glucose,Pyruvate,Alanine,Acetaldehyde,Ethanol,Citrate,OAA,-KG,AcCoA,Pyruvate,OAA,B1：硫胺素N
11、A：烟酸Bio：生物素B6：吡哆醛,光滑球拟酵母中丙酮酸代谢途径,如何得到丙酮酸高产量发酵？-菌株选育和培养条件优化,选育自身不能合成维生素的酵母(维生素缺陷型)控制培养基中维生素浓度,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.2000,81:27-34,31,动力学分析,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,32,高产量(89.4 g/L)高产率(0.636 g/g)高生产强度(1.95 g/(
12、Lh),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！,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率和生产强度?-分阶段溶氧控制,分阶段溶氧控制！如何分阶段？,Liming Liu,*Jian Chen.Biotechnology and Bioengineering,2007,97(4):825-832,Liming Liu,*Jian Chen.Journal of Biotechnology,2006,126(2):173-185,33,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
13、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解决资源、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，发展为紧密依靠生物学、工程学基础研究的工程技术,3 发酵工业与其它学科的交叉，已经从产品生产过程拓展到关键技术、方法学,34,生产规模大醋、酱油、啤酒等产量世界第一抗生素，如青霉素等产量世界第一维生素C、氨基酸(味精)、有机酸(如柠檬酸）等产量世界第一产品种类多 5000多家,相关产业年产值超过2万亿元，占国民经济的20%,中国是发酵工业大国,发酵工业的现在,35,工艺技术落后,环境污染严重,每年废水达80亿m3(工业排放总量10%)，COD排放500万吨(20),生
14、产水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%,创新品种较少 部分产品长期依赖进口,中国不是发酵工业强国,发酵工业的现在,36,发酵工程的未来,37,细胞功能认识和优化,生物学知识和技术,发酵工程的未来,38,工程学方法和规律,工业生物过程,细胞群体效应,生化、生理特性分析,物质和能量传递模型,过程放大原理和策略,发酵优化,系统全局优化与集成,过程优化,细胞群体效应调控的直接放大,生物/化学方法级联的系统优化,多产物联产目标的全局调控,发现和认识,创新技术和方法,集成优化,细胞群体,单元过程,系统优化,反应/分离单元耦合集成,生物/化学级联方法,多目标联产方法耦合技术,基于生理特性的直接放
15、大,过程集成,发酵工程的未来,39,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,产品选择,技术方向,原料拓展菌株改造工艺优化综合利用,整体目标,提升发酵工业整体技术水平提高产品经济技术指标增强国际竞争力创造重大的社会和经济效益。,中国发酵工业的未来,40,总体技术路线,41,举例：维生素C发酵,我国是世界最大的维生素C生产国和出口国，2008年生产10万吨，产值60多亿，占世界市场90,小菌(氧化葡萄糖杆菌G.oxydans),大菌(巨大芽孢杆菌B.megaterium),关键科学问题
16、：维生素C发酵微生物的功能关系,Glu,Vc,现况：维生素C两步发酵工艺小菌单独培养生长、产酸困难大菌本身不产酸，促进小菌生长和产酸,团队承担的国家863重点项目和国家支撑项目,与南开大学功能基因组学中心、国内最大Vc生产企业合作,实现组学技术解决发酵工业长期问题的典型,42,发酵优化,提高糖酸转化率提高VC产量提高生产强度,基因测序,功能蛋白,产物解析,3-磷酸甘油醛,丙酮酸,葡萄糖,TCA循环,大菌特定的代谢途径,Vc,目标1：确定微生物之间的功能关系，提高效能,目标2：构建一步发酵菌株，实现Vc产业革命,举例：维生素C发酵,43,课后完成内容,1、给出发酵工程的基本定义2、给出一个发酵产品生产技术的发展过程（可绘图说明）3、提出研发一个发酵新产品的可能路线,
