发酵工程绪论

1、张嗣良张嗣良 华东理工大学华东理工大学生物工程学院生物工程学院2005.22005.21.11.1发酵过程的意义及组成发酵过程的意义及组成1.2 1.2 发酵工程的发展历史发酵工程的发展历史1.3 1.3 发酵工程的生物学与工程学基础发酵工程的生物学与工程学基础1 .4 1 .4 本课程的学习内容本课程的学习内容抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业基因工程药物、疫苗及抗体产品基因工

2、程药物、疫苗及抗体产品基因工程菌发酵基因工程菌发酵基因工程基因工程酶工程酶工程细胞工程细胞工程发酵工程发酵工程产物产品产品产品产品发酵现象发酵现象酿造食品工业酿造食品工业非食品工业非食品工业青霉素青霉素抗抗菌素发酵工业菌素发酵工业氨基酸氨基酸, ,核酸发酵（代谢控制发酵）核酸发酵（代谢控制发酵）基因工程菌基因工程菌动物细胞大规模培养动物细胞大规模培养植物细胞大规植物细胞大规模培养模培养藻类细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物转基因动物第一个转折点：第一个转折点：非食品工业非食品工业第二个转折点：第二个转折点：青霉素青霉素抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业第三个转折点：第三个转折点：切断支路代谢

3、切断支路代谢: :酶的活力调控酶的活力调控, ,酶的合成调控酶的合成调控( (反馈控制和反馈控制和反馈阻遏反馈阻遏),),解除菌体自身的反馈调节解除菌体自身的反馈调节, , 突变株的应用突变株的应用, ,前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等近代转折点：近代转折点：基因、动物、海洋基因、动物、海洋l16801680年制成显微镜年制成显微镜 微生物的存在微生物的存在l18571857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的l18971897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 酶酶 人们的对发酵技术的认识起

4、始于人们的对发酵技术的认识起始于1919世纪末，主要来自于世纪末，主要来自于厌氧发酵，厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。酵食品。 2020世纪初期，世纪初期，19161916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）由食品工业向非食品工业发展由食品工业向非食品工业发展好氧发酵技术：好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒

5、靖，用微小母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。毛霉生产干酪。 19331933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。法。生长均匀，增殖时间短。 二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。的发现，迅速形成工业大规摸生产。l19281928年由年由 FlemingFleming发现青霉素发现青霉素 l19411941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：表面培养：1 1升

6、扁瓶或锥形瓶，内装升扁瓶或锥形瓶，内装200mL200mL麦麸培养基麦麸培养基 40u/ml40u/mll19431943年沉浸培养：年沉浸培养： 5m5m3 3 200u/ml 200u/mll当今：当今：100m100m3 3200m200m3 3 5-7 5-7万万u/mlu/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素链霉素、金霉素、新霉索、红霉素主要的技术进展：主要的技术进展：l通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。l抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污

7、染设计制造。污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：意义：l抗生素工业的发展抗生素工业的发展l建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法l推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展l为现代发酵工程奠定了基础为现代发酵工程奠定了基础氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业谷氨酸、赖氨酸谷氨酸、赖氨酸核酸发酵工业核酸发酵工业肌苷酸、乌苷酸肌苷酸、乌苷酸微生物变异株通过代谢调节微生物变异株通过代谢调节代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术 切断支路代谢转折点切断支路代谢转折点: : 酶的活力调控酶的活力调控, , 酶的合成调控酶的合

8、成调控( (反反馈控制和反馈阻遏馈控制和反馈阻遏) ) 解除菌体自身的反馈调节解除菌体自身的反馈调节, ,特殊调节特殊调节控制的利用控制的利用, ,突变株的应用突变株的应用, ,前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等 细胞融合技术、基因操作技术细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物的微生物：l增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量大幅度地提高目标产物的产量l将动、植物或某些微生物特有产物的控制基

9、因植入细胞将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物中，快速经济地大量生产这些产物l将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护 基因组完成后，获得三套完整的数据：遗传基因组完成后，获得三套完整的数据：遗传图、物理图、全序列图。图、物理图、全序列图。 功能性蛋白是基因功能的执行体。功能性蛋白是基因功能的执行体。在在ORF确定前，很难在一个基因从分子水平上进行实质确定前，很难在一个基因从分子水平上进行实质性的功能分析性的功能分

10、析基因与其编码产物蛋白的对应关系只存在于新生肽链而基因与其编码产物蛋白的对应关系只存在于新生肽链而不是最终的功能蛋白，新生肽链合成存在多种加工。不是最终的功能蛋白，新生肽链合成存在多种加工。大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行l细胞大规模培养细胞大规模培养 微生物、动植物细微生物、动植物细胞、藻类细胞等胞、藻类细胞等l细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等产物和基因质粒等l占生物技术产品的占生物技术产品的40%40%以上，达以上，达1OOO1OOO亿美元。亿美元。 目前，全球发酵产品的年销售额在目前，全球发酵

11、产品的年销售额在400亿美元左右，并以每亿美元左右，并以每年约年约78的速率增长。的速率增长。 我国发酵行业生产企业有我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产多家，主要发酵产品的年产值高达值高达1300亿元。亿元。 发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题资源与能源等重大问题 随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。环境状

12、态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，如果没有基如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。进一步发展的目标。 传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必需走资源节约型、环境友好型的道路需走资源节约型、环境友好型的道路 只有只有工业微生物工业微生物才能将来源于太阳能的可再才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的

13、化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。和国家安全。 Figure1.Idealizedbiorefineryconcept.(ImagecourtesyofOakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)未来学家说：未来学家说：2121世纪是生物技术世纪；世纪是生物技术世纪；科学家预言：科学家预言： 2121世纪世界即将在生物技术上取得世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物重大

14、突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；护上有所突破；经济学家则认为：经济学家则认为：2121世纪世纪2020年代，生物经济将由目年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。发阶段。 在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培养过程中进一步考察它的养过程中进一步考察它的生理生化特性生理生化特性，稳定或改进微，稳定或改进微生物反应工艺过程，这里要求对生物物性的动态有详尽生

15、物反应工艺过程，这里要求对生物物性的动态有详尽的了解，对生化反应做的了解，对生化反应做定量的和动力学定量的和动力学方面的考察方面的考察发酵过程是以微生物反应为核心的，有发酵过程是以微生物反应为核心的，有很多过程环节参与很多过程环节参与的综合结果的综合结果，整个过程贯穿着以，整个过程贯穿着以速率速率为内容的基础研究为内容的基础研究本征动力学：本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。 形成了经典的以动力学为基础的工程学概念形成了经典的以动力学为基础的工程学概念生物

16、反应工程：生物反应工程：它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应动力学和生物反应器工程。其中动力学和生物反应器工程。其中反应器工程反应器工程是指包括影响是指包括影响微生物反应宏观动力学的生物反应器形式、结构、操作方微生物反应宏观动力学的生物反应器形式、结构、操作方式、物料混和传递过程特性等式、物料混和传递过程特性等 宏观动力学：宏观动力学：但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，因此，从实用意义出发，人们重视一定反应器内检测到的因此，从实用意义出发，人们重视一定反应器内检测到的反应速率即总反应速率及其影响因素，这就是反应速率即

17、总反应速率及其影响因素，这就是宏观动力学宏观动力学研究。研究。必须从基质进入细胞，胞内反应，必须从基质进入细胞，胞内反应，代谢产物代谢产物的胞内外分泌的胞内外分泌等等全过程进行分析全过程进行分析 形成了经典的以化学计量学和热力学研究为形成了经典的以化学计量学和热力学研究为基础的发酵工程生物学基础的发酵工程生物学从从工程学角度研究对生长反应的影响工程学角度研究对生长反应的影响。研究各类微生物代谢。研究各类微生物代谢平衡的理论、方法和实际有效的实验量化数据。例如胞内反平衡的理论、方法和实际有效的实验量化数据。例如胞内反应中分解代谢、合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能应中分解代谢、合成代谢和大分

18、子物质合成之间的物质和能量的关系。量的关系。要经过要经过1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成分，我们分，我们不可能对这些反应进行一一定量的计算不可能对这些反应进行一一定量的计算传感器：传感器：DODO、pHpH、排气成份分析系统、排气成份分析系统 计算机控制系统：计算机控制系统：单片智能、工控机、单片智能、工控机、pLCpLC 、现场总线、现场总线、 DCS DCS 执行器件：执行器件：杯式补料系统杯式补料系统参数自动控制回路参数自动控制回路温度温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制pHpH调节调节（

19、手控或自控）；（手控或自控）；DODO与转速、通气流量程序串级调节与转速、通气流量程序串级调节 数学模型数学模型静态和动态优化静态和动态优化系统识别系统识别自适应控制自适应控制专家系统、模糊控制、神经元网络专家系统、模糊控制、神经元网络各种混沌现象的研究各种混沌现象的研究几何相似几何相似流体运动学相似流体运动学相似流体动力学相似流体动力学相似因次分析法因次分析法经验法则法经验法则法数学模拟法数学模拟法时间常数法时间常数法计算流体力学计算流体力学基因组学基因组学 生命网络的零件生命网络的零件转录组学生命网络的零件转录组学生命网络的零件蛋白质组学生命网络的零件蛋白质组学生命网络的零件代谢组学生命网

20、络的零件代谢组学生命网络的零件相互作用组学生命活动的途径、网络和模块相互作用组学生命活动的途径、网络和模块表型组学生命活动的表征表型组学生命活动的表征计算生物学生命活动的数学模型与预测计算生物学生命活动的数学模型与预测技术平台的构建技术平台的构建基因组学测序技术转录组学基因芯片基因芯片代谢组学HPLC相互作用组学酵母双杂交蛋白组学2D电泳时间飞行质谱双链双链DNA芯片芯片关联分析1000120014001600180020002200240026002800m/z0100%1619.28968.64836.58893.671251.93969.70970.691013.801060.23106

21、1.261252.971254.001570.171448.142313.692312.761621.141670.251671.241672.141873.461853.382019.571876.412271.832036.572314.752315.802366.832367.902368.852369.912718.091000120014001600180020002200240026002800m/z0100%1619.28968.64836.58893.671251.93969.70970.691013.801060.231061.261252.971254.001570.171

22、448.142313.692312.761621.141670.251671.241672.141873.461853.382019.571876.412271.832036.572314.752315.802366.832367.902368.852369.912718.091000120014001600180020002200240026002800m/z0100%1619.28968.64836.58893.671251.93969.70970.691013.801060.231061.261252.971254.001570.171448.142313.692312.761621.1

23、41670.251671.241672.141873.461853.382019.571876.412271.832036.572314.752315.802366.832367.902368.852369.912718.091000120014001600180020002200240026002800m/z0100%1619.28968.64836.58893.671251.93969.70970.691013.801060.231061.261252.971254.001570.171448.142313.692312.761621.141670.251671.241672.141873

24、.461853.382019.571876.412271.832036.572314.752315.802366.832367.902368.852369.912718.09Isolated digested proteinsWaters CapLCProteinLynx data processing and database searchingProteinLynx results browserMicromass Q-Tof automated ESI-MS/MSMS/MS蛋白质蛋白质DNA相互作用研究相互作用研究 21世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什世纪的工业生物技术产业，究竟是一

25、个什么样的格局么样的格局？作为工业生物技术核心的发酵工作为工业生物技术核心的发酵工程，在已经开始的生物经济时代，是处于一种程，在已经开始的生物经济时代，是处于一种什么状态什么状态？能起何种作用能起何种作用？又面临那些课题又面临那些课题？这是人们所关注的问题这是人们所关注的问题！通过通过发酵工程发酵工程的学习，将技术基础课和专业课与发酵的学习，将技术基础课和专业课与发酵工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性及共工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性及共性，并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今后从性，并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今后从事生物工程的有关科研和生产打下良好的基础。事生物工程的有关科研和生产打下良好的基础。此外，发酵工程的最基本问题是过程优化与放大，通过本此外，发酵工程的最基本问题是过程优化与放大，通过本课程的学习，对上述过程工程问题与生物学基础有较深入课程的学习，对上述过程工程问题与生物学基础有较深入的认识，对有关交叉学科的前沿技术在发酵工程中的应用的认识，对有关交叉学科的前沿技术在发酵工程中的应用有一定的了解。有一定的了解。第一章第一章 绪论绪论 (2学时学时)第二章第