高粘度发酵技术及其在微生物多糖工业生产中的应用

b-葡寡糖
2.
3. 4.
国家863计划项目，天然多糖的制备与功能
多糖的研制； 国家自然科学基金项目，微生物b-葡聚寡糖 最小功能单元的挖掘及其构效关系研究 ； 国家自然科学基金项目，基于量子点/NBD
糖芯片评价寡糖与蛋白相互作用
胞内寡糖信号响应途径分析
荧光比率的高灵敏、高通量功能寡糖筛选和
构效关系评估体系构建及其应用； 5. 国家自然科学基金项目，氧信号传导调控微 生物多糖热凝胶合成的机理。
CD-6 impeller
特性： 1. 半圆管叶片结构，剪切温和； 2. 中等功耗，功率准数Np＝3.2 ； 3. 流量准数Flow number, Nq=0.61 4. 通气条件下，其功率下降比较平缓； 5. 气含率较高，较好的气液分散能力，是Rushton桨的3倍多，kLa可提高40%。
BT-6 impeller
工业化生产。
基金资助：
1. 十一五国家863计划项目，针对微
生物多糖高粘度发酵的关键技术与 设备； 2. 3. 4. 十二五国家863计划项目子课题， 搅拌系统设计 高粘度发酵关 键技术与设备 流场模拟 工厂建设与产品生产
生物制造反应过程技术与装备；
国家自然科学基金项目，微生物多 糖热凝胶生物合成的能量代谢研究； 国家自然科学基金项目，氮调控微 生物多糖合成的分子机制及信号应
提高传热效率 微观混合和宏观混合的匹配 传质与传热的匹配
高效生物反应器的结构特征
优点: 气泡停留时间长 气液交换充分 单位体积耗气量小 单位体积换热面积大 缺点: 通气压力要求高 搅拌系统不易稳定
瘦长的发酵罐容器
高效生物反应器的结构特征
全国发酵工程发展新思路与发酵技术、工艺装备科技创新交流研讨会
高粘度发酵技术及其在微生物 多糖工业生产中的应用
郑志永 副教授
江南大学 生物工程学院
2015-04-11
生物工程学院
生化工程与生物反应器研究室
Laboratory of Biochemical Engineering and Bioreactor
1 Lac Z SacB
1 Amp p MD-n trC-Kan a 6000bp
Lac Z n trC Kan a n trC Lac Z
重组构建、多糖水解技术、糖及其
衍生物精密分离制备、糖功能分析 及其应用等。主要包括：聚唾液酸 高效生产和精制；唾液酸半乳糖等 糖衍生物的生物合成，聚唾液酸应 用于修饰蛋白药物，唾液酸寡糖的 制备等。
蛋白质组学分析 诱抗效果评价 植物诱导抗性响应机制
工业微生物与生物反应工程研究中心
Research Centre of Industrial Microbiology and Biochemical Engineering
高粘度发酵过程的关键问题和解决措施
1 高粘体系低传氧效率与 微生物高耗氧的矛盾 发酵过程高能耗与节能 环保需求的矛盾
工业微生物与生物反应工程研究中心
Research Centre of Industrial Microbiology and Biochemical Engineering
研究课题—寡糖功能分析、制备和应用
课题主要研究b-1,3-葡寡糖结构识别、大规模制备、寡 糖生理功能评价、寡糖植物诱导抗性、胞内寡糖信号识别网
3'-sialylgalactose
唾液酸 衍生物
n trC Lac Z
PJQ -n trC-K an a 836 8bp
Gm
Ori
生物 转化
菌种选育 与构建
基金资助：江苏省自然科学基金 唾液酸药物生产菌的筛选及生产研 究 国内外主要合作单位
1. 2. 3. The Glycosciences Laboratory, Imperial College London, UK. Lipoxen PLX, London, UK. 浙江长兴制药有限公司.
径 向流 搅 拌桨 的性 能与 改进
Asymmetric sawtooth impeller
特性：
1. 自主设计，专利号：200820237972.2
2. 3. 4. 5. 6. 对称的锯齿斜叶片结构，上下叶片间有狭缝，避免产生尾涡； 低功耗，功率准数Np＝2.2~2.5 通气条件下，其功率下降比较平缓； 气含率高，适用于高粘度流体； 优良的气液分散能力，是Rushton桨的4~6倍，kLa可提高50%。
生化工程与生物反应器研究室
Laboratory of Biochemical Engineering and Bioreactor
络等一系列理论和应用问题。通过分子生物学、细胞生物学、
蛋白质组学、糖组学等学科交叉应用，解决寡糖由制备到应 用的工程技术难题。
多糖降解
基金资助：
1. 国家863计划项目，食用乳化稳定剂制备关 键技术研究及产业化；
研究课题—高粘度发酵技术
课题研究微生物细胞生理、代谢调控、生物反应过程、 反应流场模拟和反应器放大等科学和技术问题，通过生物 反应工程开发实现一系列具有广泛应用价值的微生物多糖
Laboratory of Biochemical Engineering and Bioreac
生化工程与生物反应器研究室
答网络；
5. 教育部博士点基金项目，乙醇-威仑 胶发酵耦合系统的研究；
微生物多糖 能量代谢
氮调控信号 应答网络
工业微生物与生物反应工程研究中心
Research Centre of Industrial Microbiology and Biochemical Engineering
A mp p MD-1 9 T
Six-pitched blade impeller
特性： 1. 六斜叶圆盘涡轮结构，兼具气液分散和轴向推动流体的功能； 2. 低功耗，功率准数Np＝2.0~2.2 3. 通气条件下，其功率下降比较平缓； 4. 较好的气液分散能力，是Rushton桨的2~3倍，kLa可提高20%。
轴 向流 搅 拌桨 的性 能与 模拟
生化工程与生物反应器研究室隶属于江南大学生物工程学院，是工业微生物与生物反应工程研究中心 的重要成员之一。 是国内最早从事高粘度发酵技术和微生物多糖开发的研究室之一。以国家需求和学科发展为导向，以 推动生物技术研究成果走向工程化和商业化生产为主要目标。探索高粘度发酵体系下微生物细胞代谢特征、 非牛顿流体流动和传质行为、高效节能生物反应器及其相互关系；与英国帝国理工大学糖生物学研究室开 展合作，利用糖芯片技术平台研究糖与蛋白相互作用，致力于探索和发现糖的潜在功能和创新应用；致力 于传统发酵调味品的菌种改良、新工艺和工程开发技术。
研究团队
研究室主任 詹晓北
教授，博士生导师，工业微生物与生物反应工程研究中心主任。
生化工程与生物反应器研究室
Laboratory of Biochemical Engineering and Bioreactor
1983年毕业于无锡轻工业学院获学士学位，1987年获硕士学位并留本校工作，2004年获美国堪萨斯 州立大学博士。国家注册化学工程师，江苏省 “青蓝工程”中青年学术带头人，江苏省高层次双创人才， 目前是美国农业生物工程学会和国际食品科学技术协会会员。主持的工程开发项目获中国食品科学技术 学会科技进步奖、广东省科学技术二等奖和安徽省科学技术进步奖。
研究团队主要成果
十二五期间承担国家高技术研究发展计划（863计划）子课题2项，国家支撑计划子课题2项，国家 自然科学基金5项，省部级项目3项，多项研究成果实现工业化生产并获得良好经济效益。申请和获得专 利20多项，发表论文100多篇（SCI论文35篇）。十多年来共培养博士生10多人，硕士生60多人。
A315 impeller
特性： 1. 宽叶结构，能有效控制气体，防止液泛，适合低粘度体系； 2. 低功耗：功率准数Np=0.75； 3. 通气条件下，其功率下降比较平缓； 4. 持气量比涡轮桨提高80%，气体分散量提高4倍； 5. 剪切温和，仅为涡轮桨的1/4。
螺旋桨
特性： 1. 三叶螺旋桨结构，液体轴向推送量大； 2. 气液分散能力不高； 3. 低功耗：功率准数Np≈0.32； 4. 剪切非常温和，仅为涡轮桨的1/5。
Four-pitched blade impeller
特性： 1. 四斜叶结构，能有效控制气体，防止液泛，适合中高粘度体系； 2. 较低功耗：功率准数Np≈1.2~1.4； 3. 通气条件下，其功率下降比较平缓； 4. 持气量比涡轮桨提高60%，气体分散量提高3倍； 5. 剪切比较温和，仅为涡轮桨的1/3。
研究子课题—搅拌系统与流动场模拟
生化工程与生物反应器研究室
Laboratory of Biochemical Engineering and Bioreactor
Rushton impeller
特性： 1. 六个平直叶片固定在圆盘上，是最经典的径向流搅拌器； 2. 适合气液两相分散； 3. 高功耗，功率准数4.5～6.2； 4. 单相流动中叶片后方存在尾涡； 5. 气液两相操作时，叶片后方有气穴；
主要研究方向
1、微生物多糖生物合成
黄原胶、结冷胶、威兰胶和聚唾液酸等微生物多糖生产技术；微生物多糖生物合成代谢调控研究； 2、高粘度发酵技术与装备 针对高粘度的生物反应器设计；高粘度流体动力学模拟技术；高粘度发酵过程的节能减排技术； 3、寡糖功能分析、制备和应用
聚唾液酸化的缓释药物蛋白合成技术；新型寡糖及其衍生物的功能分析、制备和应用；
詹晓北教授
研究室教师
郑志永，副教授，硕士生导师，浙江大学博士； 吴剑荣，副教授，硕士生导师，韩国釜庆国立大学博士；
张洪涛，副教授，江南大学与帝国理工学院联合培养博士；
高敏杰，副教授，江南大学博士； 蒋 芸，研究室秘书，江南大学硕士；
张丽敏，高级实验技师
工业微生物与生物反应工程研究中心
Research Centre of Industrial Microbiology and Biochemical Engineering
针对高粘度体系的生物 反应器设计和制造技术
2
3
营养和能量供给结构与 微生物需求结构的矛盾
微生物生理代谢复杂性 与多糖高效合成的矛盾
基于高效筛选的微生物 分子改造和选育技术
4
基于微生物生理和代谢 调控的发酵工艺技术
针对高粘度体系的生物反应器 设计和制造技术
高粘度发酵体系的特征
1. 粘度大于10000cP甚至更高； 2. 多为拟塑性流体，有剪切稀释特征； 3. 气液分散不容易，但气泡聚并也较慢；
Lac Z
Amp p MD -n trC 4700bp
n trC
研究课题—唾液酸聚(寡)糖生物合成
课题研究微生物菌种选育、
n trC K an a
269 2bp
Laboratory of Biochemical Engineering and Bioreac
O ri
生化工程与生物反应器研究室
Lac Z Ori
4. 传质和传热效率都比较低。
高效生物反应器的设计对策
1. 2. 3. 4. 5. 6.
增加反应器的高径比 高效气液分散的径向流搅拌器
增加气液交换时间，增加传热面积 促进气液微观混合，是分散的基础
高效混合和分散的轴向流搅拌器
高效传热的新型夹套 径向搅拌与轴向搅拌的配合 搅拌与传热的配合
促进气液宏观混合，阻止气泡聚并
sialic ຫໍສະໝຸດ Baiducid
唾液 酸单 体
过程 优化
唾液 酸寡 糖
水解
聚唾液 酸合成
polysialic acid
分子 嵌合
新型长效 药物蛋白
蛋白 药物
工业微生物与生物反应工程研究中心
Research Centre of Industrial Microbiology and Biochemical Engineering
Research Centre of Industrial Microbiology and Biochemical Engineering
研究子课题—搅拌系统与流动场模拟
生化工程与生物反应器研究室
Laboratory of Biochemical Engineering and Bioreactor
特性： 1. 上下不对称的抛物线叶片结构，上部叶片略长于下部叶片，剪切温和； 2. 低功耗，功率准数Np＝2.3 3. 通气条件下，其功率下降比较平缓； 4. 能将上升的气体罩住并进行高效分散，气含率高； 5. 优良的气液分散能力，是Rushton桨的5倍多，kLa可提高60%。
工业微生物与生物反应工程研究中心