第一章-发酵工程的过去、现在和未来课件

Klicken Sie, um das Format des Titel-Masters zu bearbeiten.,Klicken Sie, um die Textformatierung des Masters zu bearbeiten.,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,*,第一章,发酵工程的过去、现在和未来,陈 坚,江南大学生物工程学院,jchen,1,第一节 概论,1、什么是发酵工程？,2、发酵工程的过去和现在,3、发酵工程的未来,2,什么是发酵工程？,3,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,4,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,生物技术与发酵工程,5,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,6,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,7,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,HA,HA,发酵过程,8,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,9,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,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0,1,2,3,E,q,s,/ h,-,1,t,/ h,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0,10,20,30,40,50,60,1,2,3,F,q,p,/ h,0,0.2,0.4,0.6,0.8,m,/ h,-,1,1,2,3,-,1,D,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,10,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？,11,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,12,发酵工程的过去和现在,13,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,1900,1940,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,14,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,组学技术与发酵工程,发酵工程的过去发酵工业发展年鉴,15,1980-1990,1991-2000,2001-,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,16,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,17,SG,C2,C3,C5,C6,C4,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,H,2,、,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,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,18,Biodiesel,cruise boat,(Amsterdam, The Netherlands),Ethanol powered car (Sweden),Royal,Nedalco,truck at ethanol loading point,(The Netherlands),Biodiesel,filling station,Biodiesel,-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,19,Oil Consumption and Production in China,2005,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,20,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,21,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,22,1,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,23,2,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,24,3,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,25,4,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,26,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,27,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,28,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,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,29,举例：丙酮酸发酵,Glucose,Pyruvate,Alanine,Acetaldehyde,Ethanol,Citrate,OAA,-KG,AcCoA,Pyruvate,OAA,PDH,(B,1, NA),PDC,(B,1,),PT,(B,6,),PC,(Bio),B,1,：,硫胺素,NA,：,烟酸,Bio,：,生物素,B,6,：,吡哆醛,Glucose,Pyruvate,光滑球拟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,X,X,X,X,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,:27-34,30,t,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0,1,2,3,E,q,s,/ h,-,1,t,/ h,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0,10,20,30,40,50,60,1,2,3,F,q,p,/ h,0,0.2,0.4,0.6,0.8,m,/ h,-,1,1,2,3,-,1,D,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. Journal of Biotechnology, 2006,126,(2):173-185,Li-Ming Liu, *,Jian,Chen. FEMS Yeast Research, 2006,6,:11171129,31,高产量,(89.4 g/L),高产率,(0.636 g/g),高生产强度,(1.95 g/(L,h),确定分阶段供氧模式,:,发酵,0-16 h,控制,k,L,a,为,450 h,-1,，,16 h,后将,k,L,a,降低至20,0 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):173-185,32,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，已经从产品生产过程拓展到关键技术、方法学,33,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,34,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,m,3,(,工业排放总量,10%),，,COD,排放,500,万吨,(20,),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,35,发酵工程的未来,36,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,37,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,38,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,已形成出口能力，能参与国际竞争的,受知识产权限制，长期依赖进口，急需技术突破的,产品选择,技术方向,原料拓展,菌株改造,工艺优化,综合利用,整体目标,提升发酵工业整体技术水平,提高产品经济技术指标,增强国际竞争力,创造重大的社会和经济效益。,中国发酵工业的未来,39,细胞体内遗传操作,高效表达体系,/,高产菌株,应用基因组学、蛋白质组学和代谢组学等方法，采用新的培养方法、理性设计育种、高通量筛选、转基因技术、定向进化、基因组重排等技术,主要方法和技术,基因组,改组,生产菌种,改造,代谢工程诱变育种,发酵过程优化与控制,工程放大,代谢调控、数学建模、计算机辅助自动控制、在线或离线检测技术、发酵过程在线优化控制、智能型故障诊断和早期预警等技术,发酵工艺过程,路线,过程,发酵产品的提取与纯化,高效提取技术的集成、提取过程的清洁生产,膜分离技术、浓缩和结晶相结合的提取技术、副产品资源化、废弃物综合处理、污染物高效控制等技术,低成本、高质量,的发酵产品,总体技术路线,1,基于组学技术的高通量菌,种改造和筛选平台,2,基于组学和生物信息学的,代谢途径分析与优化,3,基于实时代谢流分 析、,代谢途径模型和智控工,程的集约型发酵过程控,制与优化技术,4,基于发酵液及产品特性,的高收率、低成本、高,质量和环境友好的集成,型提取精制技术,5,基于源头防治与过程监,控的资源节约与废物资,源化清洁生产技术,发展的关键技术,40,举例：维生素,C,发酵,我国是世界最大的维生素,C,生产国和出口国，,2008,年生产,10,万吨，产值,60,多亿，占世界市场,90,小菌,(,氧化葡萄糖杆菌,G.,oxydans,),大菌,(,巨大芽孢杆菌,B.,megaterium,),关键科学问题：维生素,C,发酵微生物的功能关系,Glu,Vc,现况：维生素,C,两步发酵工艺,小菌单独培养生长、产酸困难,大菌本身不产酸，促进小菌生长和产酸,团队承担的国家,863,重点项目和国家支撑项目,与南开大学功能基因组学中心、国内最大,Vc,生产企业合作,实现组学技术解决发酵工业长期问题的典型,41,发酵优化,明确大菌调控小菌的作用方式,阐释大小菌之间的功能关系,发展调控小菌生理功能的策略,提高糖酸转化率,提高,VC,产量,提高生产强度,基因测序,功能蛋白,产物解析,3-,磷酸甘油醛,丙酮酸,葡萄糖,TCA,循环,大菌特定的代谢途径,L-,山梨酮,2-,酮基,-L-,古龙酸,L-,山梨糖,2-,酮基,-L-,古龙酸生产途径,Vc,目标,1,：确定微生物之间的功能关系，提高效能,目标,2,：构建一步发酵菌株，实现,Vc,产业革命,举例：维生素,C,发酵,42,课后完成内容,1,、给出发酵工程的基本定义,2,、给出一个发酵产品生产技术的发展过程（可绘图说明）,3,、提出研发一个发酵新产品的可能路线,43,