华东理工大学发酵工程绪论

华东理工大学发酵工程绪论第一页，共55页。1.绪论1.1发酵过程的意义及组成1.2发酵工程的发展历史1.3发酵工程的生物学与工程学基础1.4本课程的学习内容第二页，共55页。

发酵工程

──利用微生物进行产品生产抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业基因工程药物、疫苗及抗体产品化学工程生物化工生物加工行业传统生物技术现代生物技术基因工程菌发酵第三页，共55页。生物工程基因工程酶工程细胞工程发酵工程产物产品产品第四页，共55页。1.2发酵工程的发展历史发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物第一个转折点：非食品工业第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节,突变株的应用,前体、终产物、副产物等近代转折点：基因、动物、海洋第五页，共55页。

发酵现象的早期认识1680年制成显微镜───微生物的存在1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精───酶第六页，共55页。发酵工程的早期阶段

人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。20世纪初期，1916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）──由食品工业向非食品工业发展好氧发酵技术：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靖，用微小毛霉生产干酪。1933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。第七页，共55页。

发酵工程的重大转折点

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。1928年由Fleming发现青霉素1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基───40u/ml1943年沉浸培养：5m3───200u/ml当今：100m3─200m3───5-7万u/ml链霉素、金霉素、新霉索、红霉素第八页，共55页。主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：抗生素工业的发展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推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础第九页，共55页。大型发酵罐搅拌装置第十页，共55页。180M3发酵罐车间大型空气压缩机第十一页，共55页。发酵车间的空气过滤器第十二页，共55页。现代生物技术──分子生物学

与发酵工程氨基酸发酵工业──谷氨酸、赖氨酸核酸发酵工业──肌苷酸、乌苷酸微生物变异株通过代谢调节──代谢控制发酵技术

切断支路代谢转折点:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏)→解除菌体自身的反馈调节,特殊调节控制的利用,突变株的应用,前体、终产物、副产物等第十三页，共55页。20世纪70年代

细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物：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第十四页，共55页。动物细胞反应器第十五页，共55页。人类基因组测序完成的后向功能基因组学转变──功能基因及其表达产物的获得。第十六页，共55页。基因组与基因组功能

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。功能性蛋白是基因功能的执行体。在ORF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。大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行第十七页，共55页。大规模基因测序第十八页，共55页。高通量蛋白生产第十九页，共55页。细胞大规模培养技术细胞大规模培养──微生物、动植物细胞、藻类细胞等细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。

第二十页，共55页。发酵工程产业化发展目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每年约7％～8％的速率增长。我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。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

第二十一页，共55页。人类社会经济发展的危机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。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，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，必需走资源节约型、环境友好型的道路第二十二页，共55页。基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济

将工业革命世纪转变到生物技术世纪只有工业微生物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、和国家安全。

第二十三页，共55页。Figure

1.

Idealizedbiorefineryconcept.

(ImagecourtesyofOakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)第二十四页，共55页。21世纪是生物技术世纪未来学家说：21世纪是生物技术世纪；科学家预言：

21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学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；经济学家则认为：21世纪20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发阶段。

第二十五页，共55页。1.3发酵工程的生物学与工程学基础第二十六页，共55页。发酵工程的主要问题

过程优化与放大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生理生化特性，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的了解，对生化反应做定量的和动力学方面的考察发酵过程是以微生物反应为核心的，有很多过程环节参与的综合结果，整个过程贯穿着以"速率"为内容的基础研究第二十七页，共55页。动力学与反应器工程本征动力学：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。───形成了经典的以动力学为基础的工程学概念生物反应工程：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。其中反应器工程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、操作方式、物料混和传递过程特性等宏观动力学：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反应速率即总反应速率及其影响因素，这就是宏观动力学研究。第二十八页，共55页。

微生物生长和反应过程研究必须从基质进入细胞，胞内反应，代谢产物的胞内外分泌等全过程进行分析───形成了经典的以化学计量学和热力学研究为基础的发酵工程生物学从工程学角度研究对生长反应的影响。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量的关系。要经过1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成分，我们不可能对这些反应进行一一定量的计算第二十九页，共55页。过程工程技术的进展第三十页，共55页。发酵过程计算机控制传感器：DO、pH、排气成份分析系统……计算机控制系统：单片智能、工控机、pLC、现场总线、DCS……执行器件：杯式补料系统参数自动控制回路温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制pH调节（手控或自控）；DO与转速、通气流量程序串级调节……第三十一页，共55页。第三十二页，共55页。第三十三页，共55页。杯式补料系统生产车间计算机控制室第三十四页，共55页。现代控制理论的应用数学模型静态和动态优化系统识别自适应控制专家系统、模糊控制、神经元网络各种混沌现象的研究第三十五页，共55页。过程放大技术的应用几何相似流体运动学相似流体动力学相似因次分析法经验法则法数学模拟法时间常数法第三十六页，共55页。计算流体力学第三十七页，共55页。复杂系统多尺度理论的应用第三十八页，共55页。装备制造与设计技术的进展第三十九页，共55页。过程生物技术的进展第四十页，共55页。生物学技术的进展基因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第四十一页，共55页。技术平台的构建基因组学测序技术转录组学基因芯片代谢组学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DNA芯片关联分析第四十二页，共55页。第四十三页，共55页。PDQuestlinkedtoProteinLynx第四十四页，共55页。M@LDITMAutomated2D-Gel-TofMS第四十五页，共55页。自动LCESI-MS/MS分析IsolateddigestedproteinsWatersCapLCProteinLynxdataprocessinganddatabasesearchingProteinLynxresultsbrowserMicromassQ-TofautomatedESI-MS/MSMS/MS第四十六页，共55页。制备型HPLC第四十七页，共55页。蛋白质－DNA相互作用研究第四十八页，共55页。发酵工程在生物技术产业发展中的地位

21世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什么样的格局？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，是处于一种什么状态？能起何种作用？又面临那些课题？这是人们所关注的问题！第四十九页，共55页。1.4本课程的学习内容通过《发酵工程》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。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。第五十页，共55页。教学基本要求第一章绪论(2学时)第二章菌种的来源(4学时)第三章微生物发酵培养基(5学时)第四章种子的扩大培养(4学时)第五章发酵过程动力学概论(2学时)第六章氧的供需及对发酵的影响(8学时)第七章发酵过程的工艺控制(13学时)第八章典型发酵过程的特性与工业控制(6学时)第九章发酵过程的优化与放大概论(2学时)第十章展望(2学时)第五十一页，共55页。网站：负责人：李友元参考教材：《生物工艺学》俞俊棠《现代生物工艺学》储炬《多尺度微生物过程优化》张嗣良第五十二页，共55页。《发酵工程》教育与科研主持教师总负责人：张嗣良教授（博导）策划：张嗣良教授（博导）、叶勤教授