1、1第一章发酵工程的过去、现在和未来发酵工程的过去、现在和未来陈陈 坚坚江南大学生物工程学院江南大学生物工程学院2第一节第一节 概论概论1、什么是发酵工程？、什么是发酵工程？2、发酵工程的过去和现在、发酵工程的过去和现在 3、发酵工程的未来、发酵工程的未来 3什么是发酵工程？什么是发酵工程？4以以生命科学生命科学为基础为基础结合先进的结合先进的工程技术工程技术手段和手段和其它自然科学原理其它自然科学原理按照预先的设计改造生物体按照预先的设计改造生物体利用利用微生物、动物或植物体微生物、动物或植物体对原料进行加工对原料进行加工生产出人类所需生产出人类所需产品产品或达到或达到某种目的的技术某种目的的
2、技术生物技术生物技术5微生物菌株（自然分离）微生物菌株（自然分离）原料原料 淀粉、糖蜜、淀粉、糖蜜、诱变育种诱变育种 杂交育种杂交育种 基因工程基因工程 细胞工程细胞工程 纤维质原料、纤维质原料、高分子化合物高分子化合物突变体突变体 重组体重组体 葡萄糖及其它葡萄糖及其它固定化细胞、酶固定化细胞、酶 生化工程生化工程菌体菌体 产物产物 异种生物产物异种生物产物单细胞蛋白单细胞蛋白 氨基酸、有机酸氨基酸、有机酸 胰岛素、生长激素胰岛素、生长激素生物催化用细胞生物催化用细胞 抗生素、酶等抗生素、酶等 干扰素等干扰素等发酵：微生物培养和代谢发酵：微生物培养和代谢生物技术与发酵工程生物技术与发酵工程6
3、发酵：生物发酵：生物反应过程反应过程上游上游加工过程加工过程加工过程加工过程下游下游成本经济学成本经济学原料原料的生物的生物具有具有应用价值应用价值目的产物目的产物大规模大规模工艺开发工艺开发传统诱变、传统诱变、分子生物分子生物学、组学学、组学发酵产品工发酵产品工程程7从原料从原料中得到中得到糖糖在发酵在发酵罐中发罐中发生？生？发酵后发酵后得到产得到产品品谷氨酸钠谷氨酸钠(味精味精)MSG发酵过程发酵过程8菌种筛选和菌种筛选和改造改造培养基制备培养基制备种子制备种子制备产品分离提取产品分离提取发酵罐系统发酵罐系统菌和菌和HAHA发酵过程发酵过程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
4、发酵过程研究发酵过程研究发酵产物分离提取10发酵：生物发酵：生物反应过程反应过程上游上游加工过程加工过程加工过程加工过程下游下游成本经济学成本经济学原料原料的生物的生物具有具有应用价值应用价值目的产物目的产物大规模大规模工艺开发工艺开发传统诱传统诱变、分变、分子生物子生物学、组学、组学学什么是发酵工程？什么是发酵工程？广义的概念：生物学广义的概念：生物学(微生物学、微生物学、生物化学生物化学)和工程学和工程学(化学工程化学工程)结合结合t 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
5、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：微生物培养狭义的发酵概念：微生物培养和代谢过程和代谢过程微生物生长微生物生长底物消耗底物消耗产物生成产物生成11传统发酵(生物食品)产业 生物健康食品业生物健康食品业食用菌业食用菌业乳酸菌饮料乳酸菌饮料 泡泡 菜菜 业业 微微 藻藻 业业生物保健食品生物保健食品生物食品添加剂及配料业生物食品添加剂及配料业酒酒 精精 业业维生素业维生素业酵酵 母母 业业药膳真菌药膳真菌 生物酿造食品业生物酿造食品业啤啤 酒酒 业业酱酱 油油 业业 白白 酒酒 业业葡萄酒业葡萄酒业黄黄 酒酒 业业果露酒业果
6、露酒业食食 醋醋 业业 酱酱 行行 业业腐腐 乳乳 业业 其其 他他氨基酸业氨基酸业淀粉糖业淀粉糖业有机酸业有机酸业酶制剂业酶制剂业生物防腐剂生物防腐剂其他其他功能糖业功能糖业功能肽业功能肽业功能脂肪酸功能脂肪酸生物色素生物色素生物增稠剂生物增稠剂其其 他他什么是发酵工业？什么是发酵工业？12中国生物食品产业总规模中国生物食品产业总规模(2004年年)：2810亿元亿元(6300万吨万吨)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%发酵工业举例发酵工业举例生物食品产业生物食品产业13发
7、酵工程的过去和现在发酵工程的过去和现在 14第一阶段1900年前年前酒精、醋酒精、醋 使用温度计，使用温度计，比重计和热交换比重计和热交换器器 分批培养分批培养使用纯酵母培使用纯酵母培养物养物(1896),用优用优质醋接种发酵质醋接种发酵 第二阶段19001940面包酵母，甘油面包酵母，甘油，柠檬酸和丙酮丁，柠檬酸和丙酮丁醇醇 pH离线控制，离线控制，温度控制温度控制 分批和补料培养分批和补料培养应用纯培养技术应用纯培养技术 第三阶段1940目前目前青霉素，氨基酸青霉素，氨基酸，核苷酸，酶，核苷酸，酶 可灭菌的可灭菌的pH和溶和溶氧电极，计算机控氧电极，计算机控制制 分批和补料，连分批和补料，
8、连续培养开始续培养开始菌种筛选程序重菌种筛选程序重要要 发酵工程的过去发酵工业发展年鉴由食品工业向非由食品工业向非食品工业发展食品工业发展抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业15第四阶段1960目前目前用烃和和别的贮用烃和和别的贮存物生产单细胞蛋存物生产单细胞蛋白白 计算机控制计算机控制连续培养连续培养+培养培养基再循环基再循环 生产菌株的遗传生产菌株的遗传工程技术工程技术 第五阶段1979目前目前通常微生物不产通常微生物不产生的异质化合物，生的异质化合物，如胰岛素，干扰素如胰岛素，干扰素 更先进的控制手更先进的控制手段和传感器段和传感器 分批，补料分批，补料-分批分批或连续或连续 用基因工程技术用基
9、因工程技术将外源基因引入微将外源基因引入微生物宿主生物宿主 第六阶段1990目前目前解决能源、资源解决能源、资源、环境等问题的工、环境等问题的工业应用业应用基因组学、蛋白基因组学、蛋白组学、代谢组学等组学、代谢组学等技术紧密结合技术紧密结合代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术组学技术与发酵工程组学技术与发酵工程发酵工程的过去发酵工业发展年鉴161980-19901991-20002001-生物医药生物医药公公司司数数量量第一第一次浪潮次浪潮第二第二次浪潮次浪潮第三第三次浪潮次浪潮转基因植物转基因植物工业生物技术工业生物技术17生物质原料化学品化学品精细化学品精细化学品大宗化学品大宗化学品食品添加剂
10、食品添加剂生物塑料生物塑料溶剂溶剂酚类酚类粘合剂粘合剂脂肪酸脂肪酸碳黑、颜料碳黑、颜料燃料、香料、墨水燃料、香料、墨水洗涤剂洗涤剂生物能源生物能源生物酒精生物酒精生物柴油生物柴油甲醇甲醇氢气氢气沼气沼气工业生物技术主要部分工业生物技术主要部分-发酵工程发酵工程18SGC2C3C5C6C4淀粉淀粉半纤维素半纤维素纤维素纤维素木质素木质素油脂油脂蛋白质蛋白质碳水化合物碳水化合物糖平台糖平台 葡萄糖葡萄糖 果糖果糖 木糖木糖 阿拉伯糖阿拉伯糖热化学平台热化学平台生物合成气生物合成气生 物 质H2、甲烷甲烷混合醇混合醇 衣康酸衣康酸 乙酰丙酸乙酰丙酸富马酸富马酸丁二酸丁二酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸
11、柠檬酸柠檬酸葡萄糖酸葡萄糖酸山梨醇山梨醇乳酸、甘油乳酸、甘油丙烯酸丙烯酸3-羟基丙酸羟基丙酸乙醇、乙烯乙醇、乙烯资源问题：生活资料和生产资料生产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2001,0002,0003,0004,
12、0005,0006,0007,0008,0001988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008YearChina Oil Production and Consumption(thousand barrels per day)ProductionConsumptionNet importsOil Consumption and Production in China2005年进口依存度高达年进口依存度高达41.3%02004006008001,0001,2001,4001980 19831986 19891992 19951998 2
13、0012004YearOil Reserve(billion barrels)World TotalChina我国石油储量只有全球的我国石油储量只有全球的2%Oil Reserves in China21车用燃油占我国石油消费总量车用燃油占我国石油消费总量的的三分之一三分之一车用燃油消耗每年车用燃油消耗每年递增递增15-16%2015年车用燃油消费量预计年车用燃油消费量预计将达到全国石油消费量的将达到全国石油消费量的65%寻找性能相近、廉价寻找性能相近、廉价、清洁、可再生的车、清洁、可再生的车用替代燃料用替代燃料用生物质发酵生产生物乙醇、用生物质发酵生产生物乙醇、丁醇等！丁醇等！22环境问题：
14、解决复杂环境问题的最经济有效手段 Pretreatment tank Aerobic reactor clearification Discharge Sludge condensedated 污污泥泥 浓浓缩缩罐罐 Sludge Pump Air compressor Sludge disposal Legend wastewaterw 废水管 Sludge Air dewater wastewater 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231 微生物菌株选育微生物菌株选育 微生物菌株选育、改造与功能优化技术微生物菌株选育、改造与功能优化技术 工业环境与自然环境
15、的巨大差异微生物长期进化的经济型生存本能微生物及其分子的适应能力微生物效率与产率技术手段技术手段：代谢组学流量组学代谢工程生物信息学高通量筛选242 发酵工艺发酵工艺 发酵过程优化、控制与反应器技术发酵过程优化、控制与反应器技术优化的目标是创造最适合微生物或优化的目标是创造最适合微生物或酶工作的环境酶工作的环境需要发展过程环境参数和微生物生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理参数的在线监测技术基于工业微生物生理的发酵过程基于工业微生物生理的发酵过程模型化、预测和控制技术模型化、预测和控制技术 基于人工智能的生物转化过程精基于人工智能的生物转化过程精细控制技术细控制技术253 单
16、元操作单元操作 发酵工程过程工程技术发酵工程过程工程技术细胞群体效应及过程细胞群体效应及过程放大原理放大原理 多相复杂体系物质和能多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律量传递与生物转化规律 生物过程单元耦合与过生物过程单元耦合与过程优化原理程优化原理 1 大规模细胞群体行为及过程放大大规模细胞群体行为及过程放大原理原理 3 多相生化特性分析及生物过程模多相生化特性分析及生物过程模型化型化 2 生化反应过程放大原理与方法生化反应过程放大原理与方法 4 生物生物/化学方法耦联设计与调控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
17、化工业生物过程的系统控制与优化 264 发酵产品分离提取工艺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产品高效提取技术与装备发酵罐发酵罐 1、提高产品收率提高产品收率2、降低生产成本降低生产成本目标 生物反应与产物分离的耦生物反应与产物分离的耦合技术合技术 新型分离介质和新型分离新型分离介质和新型分离方法方法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 废物处理废物处
18、理绿色制造工艺的开发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281 微生物能够积累最大目的微生物能够积累最大目的产物产物(产量产量)的的条件条件是什么？是什么？高产量高产量 便于产品分离便于产品分离提取提取关键问题关键问题工程意义工程意义2 底物最多被微生物转化为产底物最多被微生物转化为产物物(转化率转化率)的的条件条件是什么？是什么？粮食原料为底物粮食原料为底物 高转高转化率化率 降低原料
19、成本降低原料成本3 微生物最快速度发酵生产微生物最快速度发酵生产目的产物的目的产物的条件条件是什么？是什么？分批操作为主分批操作为主 高生产高生产强度强度 缩短生产周期缩短生产周期29基于细胞表观特性进行优化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基于细胞内部分析进行优化高产量高产量高底高底物转物转化率化
20、率高生高生产强产强度度优化策略优化策略在理论和技术上有突破在理论和技术上有突破,在工业生产中能广泛应用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显著提高发酵过程的经济性和科学性30举例：丙酮酸发酵举例：丙酮酸发酵GlucosePyruvateAlanineAcetaldehydeEthanolCitrateOAA-KGAcCoAPyruvateOAAPDH(B1,NA)PDC(B1)PT(B6)PC(Bio)B1：硫胺素硫胺素NA：烟酸烟酸Bio：生物素生物素B6：吡哆醛吡哆醛GlucosePyruvate如何得到丙酮酸高产量发酵？如何得到丙酮酸高产量发酵？-菌株选育和培养条件优化
21、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选育自身不能合成维生素的酵母(维生素缺陷型维生素缺陷型)控制培养基中维生素浓度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 2 3 F qp/h 0
22、 0.2 0.4 0.6 0.8 m/h-1 1 2 3-1D 动力学分析高高溶氧溶氧下，丙酮酸转下，丙酮酸转化率较高，但生产强化率较高，但生产强度度(葡萄糖消耗速度葡萄糖消耗速度)较较低低低低溶氧下，葡萄糖消溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙耗速度加快，然而丙酮酸产率却明显下降酮酸产率却明显下降代谢网络分析PyrEt14.7PEP74.65.5OAAAcCoA7.9PyrEt14.7PEP74.65.5OAAAcCoA7.9DO=10%PyrEt2.4PEP94.66.1OAAAcCoA8.7PyrEt2.4PEP94.66.1OAAAcCoA8.7DO=85%PEP到Pyr的通量增加了20
23、%，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？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辅因子分析NADHATP39.0NADHATP39.0NADHATP20.7NADHATP20.7总总ATP下降下降31.4%,NADH下降下降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
24、 Research,2006,6:11171129 32高产量高产量(89.4 g/L)高产率高产率(0.636 g/g)高生产强度高生产强度(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！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 016h 1632h 3248h after 48h kL a/h-1 450 300 200 450 300 200
25、 450 300 200 450 300 200 Glucose1 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Cell growth2 47 30 27 17 13 16 13 13 11 3 10 11 Pyruvate 44 41 32 80 60 55 83 70 57 82 78 41 Ethanol 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Residual carbon 7 27 39 3 27 29 5 17 32 14 12 48 如何提高丙酮酸发酵的转化率和生产强度如何提高丙酮酸发酵的转化率和生产强度?-?-分阶段溶
26、氧控制分阶段溶氧控制分阶段溶氧控制！如何分阶段？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):173-185 331 发酵工程是工业生物技术的主要部分，由于国家需求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、能源和环境问题源、能源和环境问题2 发酵工
27、程的技术内涵，已经从主要是工业应用技术，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、方法学展到关键技术、方法学34 生产规模大生产规模大v醋、酱油、啤酒等产量世界第一醋、酱油、啤酒等产量世界第一v抗生素，如青霉素等产量世界第一抗生素，如青霉素等产量世界第一v维生素维生素C、氨基酸氨基酸(味精味精)、有机酸、有机酸(如柠檬酸）等如柠檬酸）等产量世界第一产量世界第一产品种类多产品种类多 5000多
28、家多家,相关产业年产值超过相关产业年产值超过2万亿元，占国民万亿元，占国民经济的经济的20%中国是发酵工业大国中国是发酵工业大国35工艺技术落后工艺技术落后产产 品品国内水平国内水平国际水平国际水平谷氨酸谷氨酸产酸产酸12-13%，转化率，转化率45-55%15-18%，60-65%柠檬酸柠檬酸产酸产酸14-16 25 头孢菌素头孢菌素30000-35000 u/ml 40000 u/ml以上以上 维生素维生素C糖酸转化率糖酸转化率 94 糖酸转化率糖酸转化率97 环境污染严重环境污染严重每年废水达每年废水达80亿亿m3(工业排放总量工业排放总量10%)，COD排放排放500万吨万吨(20)生
29、产水平低生产水平低25%-45%、能耗高、能耗高40%、水耗高、水耗高55%产产 品品每吨排放废水每吨排放废水硫氰酸红霉素硫氰酸红霉素500吨，吨，COD10万万mg/L 味精味精COD6-7万万mg/L废母液近废母液近20吨，总排吨，总排400吨吨柠檬酸柠檬酸COD1-4万万 mg/L中和废水中和废水10吨，总排吨，总排300吨吨 创新品种较少创新品种较少 部分产品长期依赖进口部分产品长期依赖进口中国不是发酵工业强国中国不是发酵工业强国36发酵工程的未来发酵工程的未来 37蛋白质组学蛋白质组学 组学组学Discovery-driven转录组学转录组学代谢组学代谢组学 通量组学通量组学DNA芯
30、片技术芯片技术二维电泳二维电泳/质谱技术质谱技术多维色谱多维色谱/质谱技术质谱技术同位素同位素-核磁共振技术核磁共振技术计算生物学计算生物学基因组模型化技术基因组模型化技术实验生物科学实验生物科学Hypothesis-driven分子遗传学分子遗传学分子微生物学分子微生物学蛋白质工程蛋白质工程结构生物学结构生物学代谢工程代谢工程重组重组DNA技术技术蛋白质结晶及蛋白质结晶及晶体衍射技术晶体衍射技术酶的定向酶的定向进化技术进化技术高通量高通量筛选技术筛选技术微生物生理学微生物生理学反向代谢反向代谢工程技术工程技术细胞功能认识细胞功能认识和优化和优化生物学知识和技术生物学知识和技术38工程学方法和
31、规律工程学方法和规律工业生工业生物物过程过程细胞群体效应细胞群体效应生化、生理特性分析生化、生理特性分析物质和能量传递模型物质和能量传递模型过程放大原理和策略过程放大原理和策略发酵优化发酵优化系统全局优化与集成系统全局优化与集成过程优化过程优化细胞群体效应调细胞群体效应调控的直接放大控的直接放大生物生物/化学方法化学方法级联的系统优化级联的系统优化多产物联产目标多产物联产目标的全局调控的全局调控发 现和 认识创 新技 术和 方法集成集成优化优化细胞细胞群体群体单元单元过程过程系统系统优化优化反应反应/分离单元耦分离单元耦合集成合集成生物生物/化学级联方化学级联方法法多目标联产方法多目标联产方法
32、耦合技术耦合技术基于生理特性的直基于生理特性的直接放大接放大过程集成过程集成39从发酵工业大国转为发酵工业强国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，急需技术突破的受知识产权限制，长期依赖进口，急需技术突破的 原料拓展原料拓展菌株改造菌株改造工艺优化工艺优化综合利用综合利用 提升发酵工业整体技术水平提升发酵工业整体技术水平提高产品经济技术指标提高产品经济技术指标增强国际竞争力增强国际竞争力创造重大的社会和经济效益。创造重大的
33、社会和经济效益。40细胞体内遗传细胞体内遗传操作操作高效表达体系高效表达体系/高产菌株高产菌株应用基因组学、蛋白质组学和应用基因组学、蛋白质组学和代谢组学等方法，采用新的培代谢组学等方法，采用新的培养方法、理性设计育种、高通养方法、理性设计育种、高通量筛选、转基因技术、定向进量筛选、转基因技术、定向进化、基因组重排等技术化、基因组重排等技术主要方法和技术主要方法和技术基因组基因组改组改组生产菌种生产菌种改造改造代谢工程诱代谢工程诱变育种变育种发酵过程优化与控制发酵过程优化与控制工程放大工程放大代谢调控、数学建模、计算机代谢调控、数学建模、计算机辅助自动控制、在线或离线检辅助自动控制、在线或离线
34、检测技术、发酵过程在线优化控测技术、发酵过程在线优化控制、智能型故障诊断和早期预制、智能型故障诊断和早期预警等技术警等技术发酵工艺过程发酵工艺过程路线路线过程过程发酵产品的提发酵产品的提取与纯化取与纯化高效提取技术的集高效提取技术的集成、提取过程的清成、提取过程的清洁生产洁生产膜分离技术、浓缩和结晶相结膜分离技术、浓缩和结晶相结合的提取技术、副产品资源化合的提取技术、副产品资源化、废弃物综合处理、污染物高、废弃物综合处理、污染物高效控制等技术效控制等技术低成本、高质量低成本、高质量的发酵产品的发酵产品1 基于组学技术的高通量菌基于组学技术的高通量菌 种改造和筛选平台种改造和筛选平台2 基于组学
35、和生物信息学的基于组学和生物信息学的 代谢途径分析与优化代谢途径分析与优化3 基于实时代谢流分基于实时代谢流分 析、析、代谢途径模型和智控工代谢途径模型和智控工 程的集约型发酵过程控程的集约型发酵过程控 制与优化技术制与优化技术 4 基于发酵液及产品特性基于发酵液及产品特性 的高收率、低成本、高的高收率、低成本、高 质量和环境友好的集成质量和环境友好的集成 型提取精制技术型提取精制技术5 基于源头防治与过程监基于源头防治与过程监 控的资源节约与废物资控的资源节约与废物资 源化清洁生产技术源化清洁生产技术41举例：维生素举例：维生素C发酵发酵我国是世界最大的维生素我国是世界最大的维生素C生产国和
36、出口国，生产国和出口国，2008年生产年生产10万吨，产值万吨，产值60多亿，占世界市场多亿，占世界市场90 小菌小菌(氧化葡萄糖氧化葡萄糖杆菌杆菌G.oxydans)大菌大菌(巨大芽孢杆巨大芽孢杆菌菌B.megaterium)关键科学问题：维生素关键科学问题：维生素C C发酵微生物的功能关系发酵微生物的功能关系GluVc现况：维生素现况：维生素C两步发酵工艺两步发酵工艺小菌单独培养生长、产酸困难小菌单独培养生长、产酸困难大菌本身不产酸，促进小菌生长和产酸大菌本身不产酸，促进小菌生长和产酸团队承担的国家团队承担的国家863重重点项目和国家支撑项目点项目和国家支撑项目与南开大学功能基因组与南开大
37、学功能基因组学中心、国内最大学中心、国内最大Vc生生产企业合作产企业合作实现组学技术解决发酵实现组学技术解决发酵工业长期问题的典型工业长期问题的典型42发酵发酵优化优化提高糖酸转化率提高糖酸转化率提高提高VC产量产量提高生产强度提高生产强度基因基因测序测序功能功能蛋白蛋白产物产物解析解析3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛丙酮酸丙酮酸葡萄糖葡萄糖TCA循环循环大菌特定的代谢途径大菌特定的代谢途径L-山梨酮山梨酮2-酮基酮基-L-古龙酸古龙酸L-山梨糖山梨糖2-酮基酮基-L-古龙酸生产途径古龙酸生产途径Vc目标目标1：确定微生物之间的功能关系，提高效能：确定微生物之间的功能关系，提高效能目标目标2：构建一步发酵菌株，实现：构建一步发酵菌株，实现Vc产业革命产业革命举例：维生素举例：维生素C发酵发酵43课后完成内容1、给出发酵工程的基本定义、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、给出一个发酵产品生产技术的发展过程（可绘图说明）（可绘图说明）3、提出研发一个发酵新产品的可能路线、提出研发一个发酵新产品的可能路线
