發(fā)酵工程原理與技術(shù)-教材課件匯總完整版ppt全套課件最全教學(xué)教程整本書電子教案全書教案合集最新課件

1、1第一章發(fā)酵工程的過去、現(xiàn)在和未來2本章內(nèi)容第一節(jié) 什么是發(fā)酵工程？第二節(jié) 發(fā)酵工程的過去和現(xiàn)在 第三節(jié) 發(fā)酵工程的未來 3什么是發(fā)酵工程？4以生命科學(xué)為基礎(chǔ)結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)手段和其它自然科學(xué)原理按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體利用微生物、動物或植物體對原料進(jìn)行加工生產(chǎn)出人類所需產(chǎn)品或達(dá)到某種目的的技術(shù)生物技術(shù)5 微生物菌株（自然分離） 原料 淀粉、糖蜜、誘變育種 雜交育種 基因工程 細(xì)胞工程 纖維質(zhì)原料、 高分子化合物突變體 重組體 葡萄糖及其它固定化細(xì)胞、酶 生化工程菌體 產(chǎn)物 異種生物產(chǎn)物單細(xì)胞蛋白 氨基酸、有機(jī)酸 胰島素、生長激素生物催化用細(xì)胞 抗生素、酶等 干擾素等發(fā)酵：微生物培養(yǎng)和代謝生

2、物技術(shù)與發(fā)酵工程6發(fā)酵：生物反應(yīng)過程上游加工過程加工過程下游成本經(jīng)濟(jì)學(xué)原料的生物具有應(yīng)用價(jià)值目的產(chǎn)物大規(guī)模工藝開發(fā)傳統(tǒng)誘變、分子生物學(xué)、組學(xué)發(fā)酵產(chǎn)品工程7從原料中得到糖在發(fā)酵罐中發(fā)生？發(fā)酵后得到產(chǎn)品谷氨酸鈉(味精)MSG發(fā)酵過程8菌種篩選和改造培養(yǎng)基制備種子制備產(chǎn)品分離提取發(fā)酵罐系統(tǒng)菌和HAHA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)酵產(chǎn)物分離提取10發(fā)酵：生物反應(yīng)過程上游加工過程加工過程下游成本經(jīng)濟(jì)學(xué)原料的生物具有應(yīng)用價(jià)值目的產(chǎn)物大規(guī)模工藝開發(fā)傳統(tǒng)誘變、分子生物學(xué)、組學(xué)什么是發(fā)酵工程？廣義的概念：生物學(xué)(微生物學(xué)、生物化學(xué))和工程學(xué)(化學(xué)工程)結(jié)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 狹義的發(fā)酵概念：微生物培養(yǎng)和代謝過程微生物生長底物消耗產(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)食用菌業(yè)乳酸菌飲料 泡 菜 業(yè) 微 藻 業(yè)生物保健食品生物食品添加劑及配料業(yè)酒 精 業(yè)維生素業(yè)酵 母 業(yè)藥膳真菌 生物釀造食品業(yè)啤 酒 業(yè)醬 油 業(yè) 白 酒 業(yè)葡萄酒業(yè)黃 酒 業(yè)果露酒業(yè)食 醋 業(yè) 醬 行 業(yè)腐 乳 業(yè) 其 他氨基酸業(yè)淀粉

4、糖業(yè)有機(jī)酸業(yè)酶制劑業(yè)生物防腐劑其他功能糖業(yè)功能肽業(yè)功能脂肪酸生物色素生物增稠劑其 他什么是發(fā)酵工業(yè)？12中國生物食品產(chǎn)業(yè)總規(guī)模(2004年)：2810億元(6300萬噸)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)舉例生物食品產(chǎn)業(yè)13發(fā)酵工程的過去和現(xiàn)在 14第一階段1900年前酒精、醋 使用溫度計(jì)，比重計(jì)和熱交換器 分批培養(yǎng)使用純酵母培養(yǎng)物(1896), 用優(yōu)質(zhì)醋接種發(fā)酵 第二階段19001940面包酵母，甘油，檸檬酸和丙酮丁醇 pH離線控制，溫度控制 分批和補(bǔ)料培養(yǎng)應(yīng)用純培

5、養(yǎng)技術(shù) 第三階段1940目前青霉素，氨基酸，核苷酸，酶 可滅菌的pH和溶氧電極，計(jì)算機(jī)控制 分批和補(bǔ)料，連續(xù)培養(yǎng)開始菌種篩選程序重要 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)向非食品工業(yè)發(fā)展抗菌素發(fā)酵工業(yè)15第四階段1960目前用烴和和別的貯存物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白 計(jì)算機(jī)控制連續(xù)培養(yǎng)+培養(yǎng)基再循環(huán) 生產(chǎn)菌株的遺傳工程技術(shù) 第五階段1979目前通常微生物不產(chǎn)生的異質(zhì)化合物，如胰島素，干擾素 更先進(jìn)的控制手段和傳感器 分批，補(bǔ)料-分批或連續(xù) 用基因工程技術(shù)將外源基因引入微生物宿主 第六階段1990目前解決能源、資源、環(huán)境等問題的工業(yè)應(yīng)用基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)緊密結(jié)合代謝控制發(fā)酵技術(shù)組學(xué)技術(shù)

6、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)藥公司數(shù)量第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮轉(zhuǎn)基因植物工業(yè)生物技術(shù)發(fā)酵工程的現(xiàn)在生物技術(shù)的三次浪潮17生物質(zhì)原料化學(xué)品精細(xì)化學(xué)品大宗化學(xué)品食品添加劑生物塑料溶劑酚類粘合劑脂肪酸碳黑、顏料燃料、香料、墨水洗滌劑生物能源生物酒精生物柴油甲醇?xì)錃庹託夤I(yè)生物技術(shù)主要部分-發(fā)酵工程18SGC2C3C5C6C4淀粉半纖維素纖維素木質(zhì)素油脂蛋白質(zhì)碳水化合物糖平臺 葡萄糖 果糖 木糖 阿拉伯糖熱化學(xué)平臺生物合成氣生 物 質(zhì)H2、甲烷混合醇 衣康酸 乙酰丙酸富馬酸丁二酸天冬氨酸蘋果酸檸檬酸葡萄糖酸山梨醇乳酸、甘油丙烯酸

7、3-羥基丙酸乙醇、乙烯資源問題：生活資料和生產(chǎn)資料生產(chǎn)發(fā)酵工程的現(xiàn)在解決的問題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)生物能源發(fā)酵工程的現(xiàn)在解決的問題20Oil Consumption and Production i

8、n China2005年進(jìn)口依存度高達(dá)41.3%我國石油儲量只有全球的2%Oil Reserves in China舉例：開發(fā)生物能源21車用燃油占我國石油消費(fèi)總量的三分之一車用燃油消耗每年遞增15-16% 2015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65%尋找性能相近、廉價(jià)、清潔、可再生的車用替代燃料用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇、丁醇等！舉例：開發(fā)生物能源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)發(fā)酵工程的現(xiàn)在解決的問題231 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) 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

9、經(jīng)濟(jì)型生存本能發(fā)酵工程的障礙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：代謝組學(xué)流量組學(xué)代謝工程生物信息學(xué)高通量篩選發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容242 發(fā)酵工藝 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)化過程精細(xì)控制技術(shù)發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容253 單元操作 發(fā)酵工程過程工程技術(shù)細(xì)胞群體效應(yīng)及過程放大原理 多相復(fù)雜體系物質(zhì)和能量傳遞與生物轉(zhuǎn)化規(guī)律 生物過程單元耦合與過程優(yōu)化原理 1 大規(guī)模細(xì)胞群體行為及過程放大原理 3 多相生化特性

10、分析及生物過程模型化 2 生化反應(yīng)過程放大原理與方法 4 生物/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 6 工業(yè)生物過程的系統(tǒng)控制與優(yōu)化 發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容264 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)酵罐 1、 提高產(chǎn)品收率2、 降低生產(chǎn)成本目標(biāo) 生物反應(yīng)與產(chǎn)物分離的耦合技術(shù) 新型分離介質(zhì)和新型分離方法發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容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)加工與轉(zhuǎn)化的先進(jìn)生產(chǎn)方式針對高污染、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)節(jié)約能耗、降低水資

11、源消耗、降低污染物排放、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好過程發(fā)酵工程的現(xiàn)在研究的內(nèi)容28發(fā)酵工程的現(xiàn)在關(guān)鍵技術(shù)問題1 微生物能夠積累最大目的產(chǎn)物(產(chǎn)量)的條件是什么？ 高產(chǎn)量 便于產(chǎn)品分離提取關(guān)鍵問題工程意義2 底物最多被微生物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物(轉(zhuǎn)化率)的條件是什么？糧食原料為底物 高轉(zhuǎn)化率 降低原料成本3 微生物最快速度發(fā)酵生產(chǎn)目的產(chǎn)物的條件是什么？分批操作為主 高生產(chǎn)強(qiáng)度 縮短生產(chǎn)周期29發(fā)酵工程的現(xiàn)在關(guān)鍵技術(shù)問題基于細(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

12、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)化高產(chǎn)量高底物轉(zhuǎn)化率高生產(chǎn)強(qiáng)度優(yōu)化策略在理論和技術(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GlucosePyruvateAlanineAcetaldehydeEthanolCitrateOAA-KGAcCoAPyruvateOAAPDH(B1, NA)PDC (B1) PT (B6) PC (Bio) B1： 硫胺素NA： 煙酸Bio：生物素B6： 吡哆醛GlucosePyruvate光滑球擬

13、酵母中丙酮酸代謝途徑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XXXX選育自身不能合成維生素的酵母(維生素缺陷型)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

14、2 3 F qp / h 0 0.2 0.4 0.6 0.8 m / h-1 1 2 3 -1D 動力學(xué)分析高溶氧下，丙酮酸轉(zhuǎn)化率較高，但生產(chǎn)強(qiáng)度(葡萄糖消耗速度)較低低溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙酮酸產(chǎn)率卻明顯下降代謝網(wǎng)絡(luò)分析DO=10%DO=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？-分階段溶氧控制輔因子分析總ATP下降31.4%, NADH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. Journa

15、l of Biotechnology, 2006, 126(2):173-185 Li-Ming Liu, *Jian Chen. FEMS Yeast Research, 2006, 6:11171129 32高產(chǎn)量(89.4 g/L)高產(chǎn)率(0.636 g/g)高生產(chǎn)強(qiáng)度(1.95 g/(Lh) 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！16 h后耗氧速率恒定，碳流轉(zhuǎn)向合成丙酮酸結(jié)果如何提高丙酮酸發(fā)酵的轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度?-分階

16、段溶氧控制分階段溶氧控制！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 33發(fā)酵工程的現(xiàn)在1 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)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

17、產(chǎn)品生產(chǎn)過程拓展到關(guān)鍵技術(shù)、方法學(xué)34 生產(chǎn)規(guī)模大醋、醬油、啤酒等產(chǎn)量世界第一抗生素，如青霉素等產(chǎn)量世界第一維生素C、氨基酸(味精) 、有機(jī)酸(如檸檬酸）等產(chǎn)量世界第一產(chǎn)品種類多 5000多家, 相關(guān)產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值超過2萬億元，占國民經(jīng)濟(jì)的20%中國是發(fā)酵工業(yè)大國發(fā)酵工業(yè)的現(xiàn)在35工藝技術(shù)落后產(chǎn) 品國內(nèi)水平國際水平谷氨酸產(chǎn)酸12-13%，轉(zhuǎn)化率45-55%15-18%，60-65%檸檬酸產(chǎn)酸14-16 25 頭孢菌素30000-35000 u/ml 40000 u/ml以上 維生素C糖酸轉(zhuǎn)化率 94 糖酸轉(zhuǎn)化率97 環(huán)境污染嚴(yán)重每年廢水達(dá)80億m3(工業(yè)排放總量10%)，COD排放500萬噸(20

18、)生產(chǎn)水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%產(chǎn) 品每噸排放廢水硫氰酸紅霉素500噸，COD10萬mg/L 味精COD6-7萬mg/L廢母液近20噸，總排400噸檸檬酸COD1-4萬 mg/L中和廢水10噸，總排300噸 創(chuàng)新品種較少 部分產(chǎn)品長期依賴進(jìn)口中國不是發(fā)酵工業(yè)強(qiáng)國發(fā)酵工業(yè)的現(xiàn)在36發(fā)酵工程的未來 37蛋白質(zhì)組學(xué) 組學(xué)Discovery-driven轉(zhuǎn)錄組學(xué)代謝組學(xué)通量組學(xué)DNA芯片技術(shù)二維電泳/質(zhì)譜技術(shù)多維色譜/質(zhì)譜技術(shù)同位素-核磁共振技術(shù)計(jì)算生物學(xué)基因組模型化技術(shù)實(shí)驗(yàn)生物科學(xué)Hypothesis-driven分子遺傳學(xué)分子微生物學(xué)蛋白質(zhì)工程結(jié)構(gòu)生物學(xué)代謝工程重組DNA技術(shù)蛋白質(zhì)結(jié)晶及晶體衍射技術(shù)酶的定向進(jìn)化技術(shù)高通量篩選技術(shù)微生物生理學(xué)反向代謝工程技術(shù)細(xì)胞功能認(rèn)識和優(yōu)化生物學(xué)知識和技術(shù)發(fā)酵工程的未來38工程學(xué)方法和規(guī)律工業(yè)生物過程細(xì)胞群體效應(yīng)生化、生理特性分析物質(zhì)和能量傳遞模型過程放大原理和策略發(fā)酵優(yōu)化系統(tǒng)全局優(yōu)化與集成過程優(yōu)化細(xì)胞群體效應(yīng)調(diào)控的直接放大生物/化學(xué)方法級聯(lián)的系統(tǒng)優(yōu)化多產(chǎn)物聯(lián)產(chǎn)目標(biāo)的全局調(diào)控發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識創(chuàng)新技術(shù)和方法集成優(yōu)化細(xì)胞群體單元過程系統(tǒng)優(yōu)化反應(yīng)/分離單元耦合集成生物/化學(xué)級聯(lián)方法多目標(biāo)聯(lián)產(chǎn)方法耦合技術(shù)基于生理特性的直接放大過程集成發(fā)酵工程的未來39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，對國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響的已形