1、生物工艺学生物工艺学授课教材：授课教材：生化生产工艺学生化生产工艺学 科学出版社 梅乐和等编著参考教材：参考教材：新编生物工艺学新编生物工艺学 化学工业出版社 俞俊棠等编著多尺度微生物过程优化多尺度微生物过程优化 化工出版社 张嗣良 储炬 编著现代工业发酵调控学现代工业发酵调控学 化工出版社 储炬 李友荣 编著生化生产的一般流程图生化生产的一般流程图 微生微生物物 培养培养生物反应生物反应器器产品产品代谢（表代谢（表达）产扬达）产扬生物转化生物转化酶（生物酶（生物催化剂）催化剂）酶反应酶反应（生物（生物催化）催化）分离分离制品制品质量质量标准标准包装包装仓库仓库运输运输 原料：原料：碳水化合物
2、碳水化合物碳氢化合物碳氢化合物 生物质生物质医药、食品、化工品、医药、食品、化工品、酶制剂、能源、环境酶制剂、能源、环境保护、保护、l生产菌株生产菌株l生物反应器过程生物反应器过程一条主线、两个基础一条主线：一条主线：菌种培养基种子扩培发酵过程控制两个基础：两个基础：生物学基础、工程学基础q本课程所涉及学科本课程所涉及学科普通微生物学普通微生物学微生物生理学微生物生理学微生物遗传学微生物遗传学基因工程基因工程q本课程所涉及学科本课程所涉及学科发酵调控学发酵调控学化工原理化工原理参数检测与控制参数检测与控制生物化学生物化学化学化学q本课程所涉及学科本课程所涉及学科分离工程分离工程小分子：小分子：
3、Amino acidAmino acidAntibioticsAntibiotics大分子：大分子：ProteinProteinEnzymeEnzyme机械设备机械设备工程制图工程制图物理：物理：自动控制自动控制工程数学工程数学q本课程所涉及学科本课程所涉及学科发酵的发展历史发酵的发展历史 发酵现象发酵现象酿造食品工业（酒、酱、曲等）酿造食品工业（酒、酱、曲等）非食品工业（乳酸、乙醇等）非食品工业（乳酸、乙醇等）抗生素（青霉素，浅盘培养）抗生素（青霉素，浅盘培养）抗生素工业（深层液浸培养：无菌空气和搅拌）抗生素工业（深层液浸培养：无菌空气和搅拌）代谢控制发酵（氨基酸、核酸）代谢控制发酵（氨基酸
4、、核酸）基因工程菌发酵（重组大肠杆菌、酵母基因工程菌发酵（重组大肠杆菌、酵母）第一个转折点：第一个转折点：非食品工业非食品工业第二个转折点：第二个转折点：青霉素青霉素抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业第三个转折点：第三个转折点：切断支路代谢切断支路代谢:酶的活力调控酶的活力调控,酶的合成调控，解除菌体自身的酶的合成调控，解除菌体自身的反馈调节反馈调节,突变株的应用突变株的应用,前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等 近代转折点：近代转折点：基因、动物、海洋基因、动物、海洋 发酵现象的早期认识发酵现象的早期认识1680年制成显微镜年制成显微镜 微生物的存在微生物的存在1857年巴斯德证明了酒精是
5、由活的酵母发酵年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的引起的1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精成酒精 酶酶发酵工程的早期阶段发酵工程的早期阶段 发酵工程的重大转折点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。发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由年由 Fleming发现青霉素发现青霉素 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦
6、麸培养基麦麸培养基 40u/ml1943年沉浸培养：年沉浸培养：5m3 200u/ml当今：当今：100m3-200m3 5-7万万u/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素链霉素、金霉素、新霉索、红霉素主要的技术进展：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。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、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：意义：抗生素工业的发展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
7、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为现代发酵工程奠定了基础现代生物技术现代生物技术分子生物学分子生物学与发酵工程与发酵工程20世纪世纪70年代年代 细胞融合技术、基因操作技术细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破等生物技术发展，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高目标产物的产量将动、植物或某些微生
8、物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经将动、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物质为原料进行发酵生产或环境保护 动物反应器动物反应器l利用动物生产药用蛋白及其它高附加值产品。利用动物生产药用蛋白及其它高附加值产品。l完善以转基因动物、体细胞克隆和基因工程等技术完善以转基因动物、体细胞克隆和基因工程等技术为核心的新型高效动物乳腺生物反应器技术平台。为核心的新型高效动物乳腺生物反应器技术平台。植
9、物反应器植物反应器l高效植物生物反应器技术体系的建立与创新性高效植物生物反应器技术体系的建立与创新性研究；研究；l利用植物生产药用蛋白、生物农药、功能食品利用植物生产药用蛋白、生物农药、功能食品及其它高附加值产品。及其它高附加值产品。大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行发酵工程产业化发展发酵工程产业化发展涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、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资源与能源等重大问题 人类社会经济发展的危机人类社会经济发展的危机传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头必需走资
10、源节约型、环境友好型的道路必需走资源节约型、环境友好型的道路基于碳氢化合物的经济转变为基基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济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将工业革命世纪转变到生物技术世纪Figure.Idealized biorefinery concept.(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,TN,USA.)现代控制理论的应用现代控制理论的应用静态和动态优化静态和动态优化系统识别系统识别自适应控制自适应控制专家系统、模糊控制、神经元网络专家系统、模糊控制、神经元网络各种混沌现象的研
11、究各种混沌现象的研究几何相似几何相似流体运动学相似流体运动学相似流体动力学相似流体动力学相似因次分析法因次分析法经验法则法经验法则法数学模拟法数学模拟法时间常数法时间常数法 在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产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菌种在培养过程中进一步考察它的生理生化特性生理生化特性，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，对生化反应做物性的动态有详尽的了解，对生化反应做定量的和定量的和动力学动力学方面的考察方面的考察与化学工程相结合形成了生化工程与化学工程相结合形成了
12、生化工程动力学与反应器工程动力学与反应器工程 本征动力学：本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程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。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：生物反应工程：它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应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。其中动力学和生物反应器工程。其中反应器工程反应器工程是指包括影响微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、生物反应宏观动力学的生物反应器形式
13、、结构、操作方式、物料混和传递过程特性等物料混和传递过程特性等 宏观动力学：宏观动力学：但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，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，这就是应速率即总反应速率及其影响因素，这就是宏观动力学宏观动力学研究。研究。微生物生长和反应过程研究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，必须从基质进入细胞，胞内反应，代谢产物代谢产物的胞内外的胞内外分泌等分泌等全过程进行分析。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
14、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基础的发酵工程生物学从从工程学角度研究对生长反应的影响工程学角度研究对生长反应的影响。研究各类微生物代谢。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。量的关系。要经过要经过1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成分，我们分，我们不可能对这些反应进行一一定量的计算不可能对这些反应进行一一定量的计算对过程参数
15、变化提供的信息缺乏理解对过程参数变化提供的信息缺乏理解维持最佳工艺控制点的过程操作思想，过于维持最佳工艺控制点的过程操作思想，过于简化的简化的动力学动力学分析分析缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容在生物技术没有深入研究之前在生物技术没有深入研究之前 以胞外过程研究为主：以胞外过程研究为主：理论方法的局限性理论方法的局限性 仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pHpH、DODO等等 缺乏微观的实时的代谢调控缺乏微观的实时的代谢调控代谢调控研究代谢调控研究代谢工程研究代谢工程研究发酵过程酶学发酵过程酶学研究的困难研究的困难过程数据采集过程数据采集和处理的困难和处理的困难发酵工艺优化研究发酵工艺优化研究的基本思路的基本思路发酵罐发酵罐单一生理调控制，单一生理调控制，缺乏全局性的概念缺乏全局性的概念EndThanks!
