发酵工程原理与技术-教材课件汇总完整版ppt全套课件最全教学教程整本书电子教案全书教案合集最新课件

1、1第一章发酵工程的过去、现在和未来2本章内容第一节 什么是发酵工程？第二节 发酵工程的过去和现在 第三节 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、酶等 干扰素等发酵：微生物培养和代谢生

2、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菌种筛选和改造培养基制备种子制备产品分离提取发酵罐系统菌和HAHA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t 0.4

3、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：微生物培养和代谢过程微生物生长底物消耗产物生成11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

4、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第一阶段1900年前酒精、醋 使用温度计，比重计和热交换器 分批培养使用纯酵母培养物(1896), 用优质醋接种发酵 第二阶段19001940面包酵母，甘油，柠檬酸和丙酮丁醇 pH离线控制，温度控制 分批和补料培养应用纯培

5、养技术 第三阶段1940目前青霉素，氨基酸，核苷酸，酶 可灭菌的pH和溶氧电极，计算机控制 分批和补料，连续培养开始菌种筛选程序重要 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第四阶段1960目前用烃和和别的贮存物生产单细胞蛋白 计算机控制连续培养+培养基再循环 生产菌株的遗传工程技术 第五阶段1979目前通常微生物不产生的异质化合物，如胰岛素，干扰素 更先进的控制手段和传感器 分批，补料-分批或连续 用基因工程技术将外源基因引入微生物宿主 第六阶段1990目前解决能源、资源、环境等问题的工业应用基因组学、蛋白组学、代谢组学等技术紧密结合代谢控制发酵技术组学技术

6、与发酵工程发酵工程的过去发酵工业发展年鉴161980-19901991-20002001-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醇氢气沼气工业生物技术主要部分-发酵工程18SGC2C3C5C6C4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

7、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) 能源问题：大力开发生物能源发酵工程的现在解决的问题20Oil Consumption and Production i

8、n China2005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65%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231 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

9、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242 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253 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

10、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264 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

11、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

12、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GlucosePyruvateAlanineAcetaldehydeEthanolCitrateOAA-KGAcCoAPyruvateOAAPDH(B1, NA)PDC (B1) PT (B6) PC (Bio) B1： 硫胺素NA： 烟酸Bio：生物素B6： 吡哆醛GlucosePyruvate光滑球拟

13、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XXXX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, 81:27-3431t 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

14、2 3 F qp / h 0 0.2 0.4 0.6 0.8 m / h-1 1 2 3 -1D 动力学分析高溶氧下，丙酮酸转化率较高，但生产强度(葡萄糖消耗速度)较低低溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙酮酸产率却明显下降代谢网络分析DO=10%DO=85%PEP到Pyr的通量增加了20%，丙酮酸进一步代谢的通量下降了63.3%高溶氧下转化率高的原因如何提高丙酮酸发酵的转化率和生产强度？-分阶段溶氧控制辅因子分析总ATP下降31.4%, NADH下降18.6%生产强度(葡萄糖消耗速度)59低溶氧生产强度高的原因DO=10%DO=85%Liming Liu, *Jian Chen. Journa

15、l of Biotechnology, 2006, 126(2):173-185 Li-Ming Liu, *Jian Chen. FEMS Yeast Research, 2006, 6:11171129 32高产量(89.4 g/L)高产率(0.636 g/g)高生产强度(1.95 g/(Lh) 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！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

16、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

17、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工艺技术落后产 品国内水平国际水平谷氨酸产酸12-13%，转化率45-55%15-18%，60-65%柠檬酸产酸14-16 25 头孢菌素30000-35000 u/ml 40000 u/ml以上 维生素C糖酸转化率 94 糖酸转化率97 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

18、)生产水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%产 品每吨排放废水硫氰酸红霉素500吨，COD10万mg/L 味精COD6-7万mg/L废母液近20吨，总排400吨柠檬酸COD1-4万 mg/L中和废水10吨，总排300吨 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蛋白质组学 组学Discovery-driven转录组学代谢组学通量组学DNA芯片技术二维电泳/质谱技术多维色谱/质谱技术同位素-核磁共振技术计算生物学基因组模型化技术实验生物科学Hypothesis-driven分子遗传学分子微生物学蛋白质工程结构生物学代谢工程重组DNA技术蛋白质结晶及晶体衍射技术酶的定向进化技术高通量筛选技术微生物生理学反向代谢工程技术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