第一章绪论 发酵工程的研究状况和进展

●对关键物质的浓度及其供给方式进行优化，使目标产物产
量明显提高
●分析不同环境条件下微生物的生理学
12
发酵 2基于微生物代谢特性的分阶段培养技术 优化 研究思想 发酵过程的动力学参数(μ， 不同T、pH、 分 qp，qs) RPM、DO 析 流变学参数的变化特性
提 出 分阶段T、 pH、RPM、 DO
Cofactors
NADPH/NADP+ Metal ions
CoA/Acetyl-CoA
Vitamins
21
发酵工程的未来
微生物生理学 代谢工程 实验生物科学 Hypothesis-driven 酶的定向 进化技术 蛋白质结晶及 晶体衍射技术
生物学知识和技术
高通量 筛选技术 反向代谢 工程技术 基因组模型化技术
27
研究背景
生物毒素广泛存在于污染的主产粮食作物、动植物性食品和生活 饮用水中。 食品污染
有微囊藻 毒素(MC)
具有强烈的 肝毒性和肿 瘤促进作用
菌体－毒素 复合体排出
某些益生菌可以吸附毒素，形成菌体-毒素复合体，当微生物形成 复合体后，较易与毒素一起排出体外，减少毒素在肠道的吸收，从 25 而降低毒素的危害。
代谢网络
2D 电泳
生物芯片
益生菌干预生物毒素的绩效关系评价
26 TIM 绩效评价 动物实验 高危人群实验
如何学习《发酵工程与设备》
• 1、运用生物化学、微生物学等已学过的知识，详细 了解和掌握发酵条件下的微生物新成代谢的规律和整 个反应过程所涉及的各个条件及作用，对微生物各种 反应做定量的动力学方面初步研究以控制微生物生命 活动的途径 ，学习和掌握微生物代谢过程中的物质传 递机理 。 • 2、认识和了解整个生物反应过程中的设备结构和计 算、形式各异的反应器的结构和特点。 • 3、要结合有关工艺、技术、设备等方面的知识认真 准备和操作实验，做到理论联系实际，便于今后能够 较快较好的适应工作。
益生菌的表面分子结构及其毒素吸附与转化功能分子改造
案例2： 益 生菌干预食 品中生物毒 素的机理与 过程控制
研究方法
表面分子毒素吸附作用解析
毒素转化代谢解析
表面修饰及分子改造
益生菌对生物毒素的吸附过程模型解析及作用机制评价
吸附动力学模型
细胞结构
吸附结合位点
益生菌干预生物毒素的代谢过程解析及调控
代谢指纹
2
工业生物技术主要部分--发酵工程
生物能源
－生物酒精 －生物柴油 －甲醇 －氢气 －沼气 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
生物质原料
3
发酵工程
m / h-1
0.8 0.6 0.4 1 2 3
第一章 绪论 发酵工程的研究状况和进展
唐浩国 教授 河南科技大学食品与生物工程学院 tanghaoguo@yahoo.com.cn
1
授 课 目 录
第一章 绪论（2学时） 第二章 菌种扩大培养（2学时） 第三章 灭菌（2学时） 第四章 发酵动力学与发酵（10学时） 第五章 生物反应器中的物质传递（4学时） 第六章 发酵设备（4学时） 试验一 摇床培养确定酵母菌体培养和营养条件（4学 时） 试验二 啤酒麦芽汁制备实验（4学时） 理论24学时，实验8学时
细胞功能认识 和优化
蛋白质工程
结构生物学 重组DNA 技术 分子遗传学 分子微生物学
同位素-核磁共振技术
多维色谱/质谱技术 二维电泳/质谱技术 DNA芯片技术
组学 Discovery-driven 22
发酵工程的未来
工程学方法和规律
系统 优化
系统全局优化与集成 集成 优化
发酵优化
过程集成
过程优化
基于生理特性的直 接放大 生物/化学级联方 法 多目标联产方法 耦合技术 反应/分离单元耦 合集成 单元 过程
提高VC产量
提高生产强度
基因 测序
功能 蛋白
发展调控小菌生理功能的策略
目标2：构建Vc一步发酵菌株，实现重大创新
葡萄糖 大菌特定的代谢途径
3-磷酸 甘油醛
丙酮酸
TCA循环
产物 解析
L-山梨糖
2-酮基-L-古龙 酸 2-酮基-L-古龙酸生产途径
Vc
24
L-山梨酮
案例2：益生菌干预食品中生物毒素的机理与过程控制
细胞群体效应调 控的直接放大 创 新 技 术 和 方 法 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
工业生 物 过程
物质和能量传递模型 发 现 和 认 识
过程放大原理和策略
生化、生理特性分析
细胞群体效应
细胞 群体
23
案例1：维生素C发酵微生物的功能优化与调控
发酵 优化
目标1：确定微生物之间的功能关系，提高效能 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 提高糖酸转化率
分阶段控制策略
目 的
控制环境条件在最适合细胞生长或最适 合产物合成的水平。
13
T，pH, DO, RPM
利用分阶段培养技术还可以将细胞生长期和产物 形成期人为分开，从而实现优化发酵过程的目的。
14
发酵 优化 3基于反应动力学和人工智能的优化和控制技术
研究思想
以数学模型为基础的优化
建立动力学模型，求解参 数并评价其适用性 优化发酵过程
D
-1
0.2
0
微生物生长
发酵：生物 反应过程
上游 加工过程 原料 具有 应用价值 的生物 传统诱变、 分子生物 学、组学 成本经济学 目的产物 下游 加工过程 大规模 工艺开发
2.0 1.6 qs / h-1 1.2 0.8 0.4 3 2 1 底物消耗 E
t
0.4 qph / 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 2 3 1 t/ h
•Form •u = umax s/(K m + s) •Y x/s = Y0 •u = umax s/(Km + s + s2/Ki) •Y x/s = Y0 •u = umax s (1 -– T. s)/(K m + s + s2/Ki) •Y x/s = Y0 (1 -– T. s)/(1 + R. s + G. s2) •u = umax s/(Km + s + s2/Ki) •u = umax o (1 -– P/P m ) •q p = alpha. u+ beta •alpha, beta and Y p/s
高产量 便于产品分离 提取
相关：微生物生理、遗传特性和营养、环境因素
6
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题2 工程意义2
底物最多被微生物转化为产物 粮食原料为底物 高转化率 (转化率)的条件是什么？ 降低原料成本
相关：微生物代谢途径和过程条件
7
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题3 工程意义3
微生物最快速度发酵生产目的 分批操作为主 高生产强度 产物的条件是什么？ 缩短生产周期
相关：微生物反应动力学和系统优化
8
发酵优化的研究思想：发酵是一个过程
条件 确定 初始 条件 过程 分析
过程 强化
过程 优化
9
研究方法
基于细胞表观特性进行优化
16
基于细胞内部分析进行优化
优化策略
d (DCW) / (g/L)
15
对发酵进程和产量 指标进行预测
以生理模型为基础的优化
采用人工神经网络、专家系 统、模糊逻辑控制技术
Байду номын сангаас
对发酵过程 进行在线状 态预测和模 式识别
自适应最优 化控制系统 的开发、计 算机模拟和 实际应用
16
发酵 优化
4基于代谢通量分析的过程优化技术
研究思想
参考已知的生化反应计量关系、 代谢途径、生理、特征，构建、 合成不同产物的代谢网络。
12 8 4 0 140
A
高产量
t /h
r (Glucose) / (g/L)
120 100 80 60 40 20 0 80
B
r (Pyruvate) / (g/L)
t /h 60 40 20 0 0 10 20 30 40 t/h 50 60 70 80
高底 物转 化率
C
高生 产强 度
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
ADP
NAD+ ATP NADH Aerobic Anaerobic Pyruvate Mitochondrion
ethanol ATP
长期胁迫－可遗传性的应 答（遗传变异） 短期胁迫－不可遗传性的 应答（生理性的)
细胞结构、基因转录和蛋白表达的临时改变，酶原的 19 激活以及代谢途径的临时调整等
学术思想 研究一些重要的工业微生物的抗胁迫因子及其抗胁迫 机制，考察环境胁迫条件下特定微生物蛋白转录和代 谢途径变化，采用不同环境胁迫手段或措施对微生物 的生长或代谢进行调控，促进微生物生长或大量合成
利用代谢通量分析方法，计算得 出胞内各条代谢途径的通量变化。
17
目的 分析不同发酵产品合成途径中主要代谢节点的性质， 结合发酵过程中胞内能量代谢情况，提出一系列发酵 优化策略。
18
发酵 优化
5基于环境胁迫条件下微生物生理应答的过程 优化技术
环境压力或胁迫 饥饿、高温、高压、机械剪切、冷冻、强酸、强碱、 高渗透压（高盐）、活性氧、有毒化学物质等等
10
发酵 优化
1基于微生物反应原理的培养环境优化技术
基本思想
基于底物运输、生化反应、产物排出
确定不同环境条件对微生物生长 和代谢产物分布的影响 优化微生物生长的物理和化学环境 保证微生物生长处于最适条件
奠定基础
Prod. Distribution
11
内容 ●培养基组成的优化技术 ●发酵环境条件的优化技术 目的 ●确定培养基组分的最小用量，避免底物的过量或不足 ●减少副产物的形成，使底物转化率明显提高
目的产物。
20
发酵 6基于微生物代谢的辅因子调控的过程优化技术 优化
学术思想
研究辅因子形式及其浓度在物质代谢和信号传递途径中控制代谢 流方向和流量分配的作用机制、物质流和辅因子流的变化规律， 对微生物的生长或代谢进行调控，促进微生物合成目的产物的代 谢流的最大化和快速化。
ATP/ADP/AMP NADH/NAD+
•Model •Monod •Constant yield •Substrate inhibition •Constant yield •Substrate inhibition •Variable yield •Substrate and product inhibition •Inhibitions •Constants yields
F
产物生成
广义的概念：生物学(微生物学、 生物化学)和工程学(化学工程) 狭义的发酵概念：微生物培养 和代谢过程 结合
4
发酵工程研究
获得应用价值的微生物
反应器及过程放大
发酵产物分离提取
发酵过程优化和控制
5
发酵工程的关键问题和工程意义
关键问题1
微生物能够积累最大目的产物( 产量)的条件是什么？
工程意义1