發(fā)酵工程 原理與技術(shù) 第一章 陳堅(jiān)

1第一章發(fā)酵工程的過去、現(xiàn)在和未來發(fā)酵工程的過去、現(xiàn)在和未來江南大學(xué)生物工程學(xué)院江南大學(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) 什么是發(fā)酵工程？什么是發(fā)酵工程？第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵工程的過去和現(xiàn)在發(fā)酵工程的過去和現(xiàn)在 第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵工程的未來發(fā)酵工程的未來 3什么是發(fā)酵工程？什么是發(fā)酵工程？4以以生命科學(xué)生命科學(xué)為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)結(jié)合先進(jìn)的結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)工程技術(shù)手段和手段和其它自然科學(xué)原理其它自然科學(xué)原理按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體利用利用微生物、動(dòng)物或植物體微生物、動(dòng)物或植物體對(duì)原料進(jìn)行加工對(duì)原料進(jìn)行加工生產(chǎn)出人類所需生產(chǎn)出人類所需產(chǎn)品產(chǎn)品或達(dá)到或達(dá)到某種目的的技術(shù)某種目的的技術(shù)生物技術(shù)生物技術(shù)5微生物菌株（自然分離）微生物菌株（自然分離） 原料原料 淀粉、糖蜜、淀粉、糖蜜、誘變育種誘變育種 雜交育種雜交育種 基因工程基因工程 細(xì)胞工程細(xì)胞工程 纖維質(zhì)原料、纖維質(zhì)原料、 高分子化合物高分子化合物突變體突變體 重組體重組體 葡萄糖及其它葡萄糖及其它固定化細(xì)胞、酶固定化細(xì)胞、酶 生化工程生化工程菌體菌體 產(chǎn)物產(chǎn)物 異種生物產(chǎn)物異種生物產(chǎn)物單細(xì)胞蛋白單細(xì)胞蛋白 氨基酸、有機(jī)酸氨基酸、有機(jī)酸 胰島素、生長激素胰島素、生長激素生物催化用細(xì)胞生物催化用細(xì)胞 抗生素、酶等抗生素、酶等 干擾素等干擾素等發(fā)酵：微生物培養(yǎng)和代謝發(fā)酵：微生物培養(yǎng)和代謝生物技術(shù)與發(fā)酵工程生物技術(shù)與發(fā)酵工程6發(fā)酵：生物發(fā)酵：生物反應(yīng)過程反應(yīng)過程上游上游加工過程加工過程加工過程加工過程下游下游成本經(jīng)濟(jì)學(xué)成本經(jīng)濟(jì)學(xué)原料原料的生物的生物具有具有應(yīng)用價(jià)值應(yīng)用價(jià)值目的產(chǎn)物目的產(chǎn)物大規(guī)模大規(guī)模工藝開發(fā)工藝開發(fā)傳統(tǒng)誘變、傳統(tǒng)誘變、分子生物分子生物學(xué)、組學(xué)學(xué)、組學(xué)發(fā)酵產(chǎn)品工發(fā)酵產(chǎn)品工程程7從原料從原料中得到中得到糖糖在發(fā)酵在發(fā)酵罐中發(fā)罐中發(fā)生？生？發(fā)酵后發(fā)酵后得到產(chǎn)得到產(chǎn)品品谷氨酸鈉谷氨酸鈉( (味精味精) )MSG發(fā)酵過程發(fā)酵過程8菌種篩選和菌種篩選和改造改造培養(yǎng)基制備培養(yǎng)基制備種子制備種子制備產(chǎn)品分離提取產(chǎn)品分離提取發(fā)酵罐系統(tǒng)發(fā)酵罐系統(tǒng)菌和菌和HAHA發(fā)酵過程發(fā)酵過程9獲得應(yīng)用價(jià)值的微生物反應(yīng)器放大發(fā)酵過程優(yōu)化和控制發(fā)酵過程研究發(fā)酵過程研究發(fā)酵產(chǎn)物分離提取10發(fā)酵：生物發(fā)酵：生物反應(yīng)過程反應(yīng)過程上游上游加工過程加工過程加工過程加工過程下游下游成本經(jīng)濟(jì)學(xué)成本經(jīng)濟(jì)學(xué)原料原料的生物的生物具有具有應(yīng)用價(jià)值應(yīng)用價(jià)值目的產(chǎn)物目的產(chǎn)物大規(guī)模大規(guī)模工藝開發(fā)工藝開發(fā)傳統(tǒng)誘傳統(tǒng)誘變、分變、分子生物子生物學(xué)、組學(xué)、組學(xué)學(xué)什么是發(fā)酵工程？什么是發(fā)酵工程？廣義的概念：生物學(xué)廣義的概念：生物學(xué)(微生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)生物化學(xué))和工程學(xué)和工程學(xué)(化學(xué)工程化學(xué)工程)結(jié)合結(jié)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 狹義的發(fā)酵概念：微生物培養(yǎng)狹義的發(fā)酵概念：微生物培養(yǎng)和代謝過程和代謝過程微生物生長微生物生長底物消耗底物消耗產(chǎn)物生成產(chǎn)物生成11傳統(tǒng)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色素生物增稠劑生物增稠劑其其 他他什么是發(fā)酵工業(yè)？什么是發(fā)酵工業(yè)？12中國生物食品產(chǎn)業(yè)總規(guī)模中國生物食品產(chǎn)業(yè)總規(guī)模(2004年年)：2810億元億元(6300萬噸萬噸)生物食品釀造業(yè) 1580億(4300萬噸)，56%生物健康食品業(yè) 670億(1000萬噸)，24%生物食品添加劑及配料業(yè) 560億(1000萬噸)，20%發(fā)酵工業(yè)舉例發(fā)酵工業(yè)舉例生物食品產(chǎn)業(yè)生物食品產(chǎn)業(yè)13發(fā)酵工程的過去和現(xiàn)在發(fā)酵工程的過去和現(xiàn)在 14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、丙酮丁、檸檬酸、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，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)15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161980-19901991-20002001-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)基因植物工業(yè)生物技術(shù)工業(yè)生物技術(shù)17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甲醇甲醇?xì)錃鈿錃庹託庹託夤I(yè)生物技術(shù)主要部分工業(yè)生物技術(shù)主要部分-發(fā)酵工程發(fā)酵工程18SGC2C3C5C6C4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(tái)糖平臺(tái) 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(tái)熱化學(xué)平臺(tái)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)19Biodiesel cruise boat(Amsterdam, The Netherlands) Ethanol powered car (Sweden) Royal Nedalco truck at ethanol loading point (The Netherlands) Biodiesel filling stationBiodiesel-truck-loading(Germany) 能源問題：大力開發(fā)生物能源2001,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0001988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008YearChina Oil Production and Consumption (thousand barrels per day)ProductionConsumptionNet importsOil Consumption and Production in China2005年進(jìn)口依存度高達(dá)年進(jìn)口依存度高達(dá)41.3%02004006008001,0001,2001,4001980 19831986 19891992 19951998 20012004YearOil Reserve (billion barrels)World TotalChina我國石油儲(chǔ)量只有全球的我國石油儲(chǔ)量只有全球的2%Oil Reserves in China21車用燃油占我國石油消費(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(jià)尋找性能相近、廉價(jià)、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！22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)231 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242 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、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)253 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)生物過程的系統(tǒng)控制與優(yōu)化工業(yè)生物過程的系統(tǒng)控制與優(yōu)化 264 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27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(duì)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(duì)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281 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29基于細(xì)胞表觀特性進(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)性顯著提高發(fā)酵過程的經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性30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, 81:27-3431t 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(dòng)力學(xué)分析高高溶氧溶氧下，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)較較低低低低溶氧下，葡萄糖消溶氧下，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 32高產(chǎn)量高產(chǎn)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(shí)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(shí)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 Glucose1 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):173-185 331 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(huì)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(huì)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)34 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35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、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36發(fā)酵工程的未來發(fā)酵工程的未來 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)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(shí)細(xì)胞功能認(rèn)識(shí)和優(yōu)化和優(yōu)化生物學(xué)知識(shí)和技術(shù)生物學(xué)知識(shí)和技術(shù)工程學(xué)方法和規(guī)律工程學(xué)方法和規(guī)律工業(yè)生工業(yè)生物物過程過程細(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(jí)聯(lián)的系統(tǒng)優(yōu)化級(jí)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(shí)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)反應(yīng)/ /分離單元耦分離單元耦合集成合集成生物生物/ /化學(xué)級(jí)聯(lián)方化學(xué)級(jí)聯(lián)方法法多目標(biāo)聯(lián)產(chǎn)方法多目標(biāo)聯(lián)產(chǎn)方法耦合技術(shù)耦合技術(shù)基于生理特性的直基于生理特性的直接放大接放大過程集成過程集成39從發(fā)酵工業(yè)大國轉(zhuǎn)為發(fā)酵工業(yè)強(qiáng)國從發(fā)酵工業(yè)大國轉(zhuǎn)為發(fā)酵工業(yè)強(qiáng)國國內(nèi)已形成較大規(guī)模，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響的國內(nèi)已形成較大規(guī)模，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響的已形成出口能力，能參與國際競爭的已形成出口能力，能參與國際競爭的受知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制，長期依賴進(jìn)口，急需技術(shù)突破的受知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制，長期依賴進(jìn)口，急需技術(shù)突破的 原料拓展原料拓展菌株改造菌株改造工藝優(yōu)化工藝優(yōu)化綜合利用綜合利用 提升發(fā)酵工業(yè)整體技術(shù)水平提升發(fā)酵工業(yè)整體技術(shù)水平提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)增強(qiáng)國際競爭力增強(qiáng)國際競爭力創(chuàng)造重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。創(chuàng)造重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。40細(xì)胞體內(nèi)遺傳細(xì)胞體內(nèi)遺傳操作操作高效表達(dá)體系高效表達(dá)體系/ /高產(chǎn)菌株高產(chǎn)菌株應(yīng)用基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和應(yīng)用基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等方法，采用新的培代謝組學(xué)等方法，采用新的培養(yǎng)方法、理性設(shè)計(jì)育種、高通養(yǎng)方法、理性設(shè)計(jì)育種、高通量篩選、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、定向進(jìn)量篩選、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、定向進(jìn)化、基因組重排等技術(shù)化、基因組重排等技術(shù)主要方法和技術(shù)主要方法和技術(shù)基因組基因組改組改組生產(chǎn)菌種生產(chǎn)菌種改造改造代謝工程誘代謝工程誘變育種變育種發(fā)酵過程優(yōu)化與控制發(fā)酵過程優(yōu)化與控制工程放大工程放大代謝調(diào)控、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)代謝調(diào)控、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)控制、在線或離線檢輔助自動(dòng)控制、在線或離線檢測技術(shù)、發(fā)酵過程在線優(yōu)化控測技術(shù)、發(fā)酵過程在線優(yōu)化控制、智能型故障診斷和早期預(yù)制、智能型故障診斷和早期預(yù)警等技術(shù)警等技術(shù)發(fā)酵工藝過程發(fā)酵工藝過程路線路線過程過程發(fā)酵產(chǎn)品的提發(fā)酵產(chǎn)品的提取與純化取與純化高效提取技術(shù)的集高效提取技術(shù)的集成、提取過程的清成、提取過程的清潔生產(chǎn)潔生產(chǎn)膜分離技術(shù)、濃縮和結(jié)晶相結(jié)膜分離技術(shù)、濃縮和結(jié)晶相結(jié)合的提取技術(shù)、副產(chǎn)品資源化合的提取技術(shù)、副產(chǎn)品資源化、廢棄物綜合處理、污染物高、廢棄物綜合處理、污染物高效控制等技術(shù)效控制等技術(shù)低成本、高質(zhì)量低成本、高質(zhì)量的發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)酵產(chǎn)品1 基于組學(xué)技術(shù)的高通量菌基于組學(xué)技術(shù)的高通量菌 種改造和篩選平臺(tái)種改造和篩選平臺(tái)2 基于組學(xué)和生物信息學(xué)的基于組學(xué)和生物信息學(xué)的 代謝途徑分析與優(yōu)化代謝途徑分析與優(yōu)化3 基于實(shí)時(shí)代謝流分基于實(shí)時(shí)代謝流分 析、析、 代謝途徑模型和智控工代謝途徑模型和智控工 程的集約型發(fā)酵過程控程的集約型發(fā)酵過程控 制與優(yōu)化技術(shù)制與優(yōu)化技術(shù) 4 基于發(fā)酵液及產(chǎn)品特性基于發(fā)酵液及產(chǎn)品特性 的高收率、低成本、高的高收率、低成本、高 質(zhì)量和環(huán)境友好的集成質(zhì)量和環(huán)境友好的集成 型提取精制技術(shù)型提取精制技術(shù)5 基于源頭防治與過程監(jiān)基于源頭防治與過程監(jiān) 控的資源節(jié)約與廢物資控的資源節(jié)約與廢物資 源化清潔生產(chǎn)技術(shù)源化清潔生產(chǎn)技術(shù)41課后完成內(nèi)容1、給出發(fā)酵工程的基本定義、給出發(fā)酵工程的基本定義2、給出一個(gè)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展過程、給出一個(gè)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展過程（可繪圖說明）（可繪圖說明）3、提出研發(fā)一個(gè)發(fā)酵新產(chǎn)品的可能路線、提出研發(fā)一個(gè)發(fā)酵新產(chǎn)品的可能路線