发酵控制要点.ppt

发 酵 工 程 控 制 张嗣良 华东理工大学 国家生化工程技术研究中心（上海） 2001.8 目录 第一章 前言 1.1 发酵工程控制的历史发展 1.2 发酵过程对象与检测特点 1.3 发酵过程控制 1.4 发酵工程控制中二个基本问题——优化与放大 第二章 发酵过程多水平问题研究 2.1 发酵工程中涉及的主要技术问题 2.2 发酵过程工程学的观点 2.3 基本方法 2.4 用于发酵过程数据优化与放大的专用装置 2.5 计算机人机界面得到的多参数代谢曲线 第三章 发酵过程参数相关特性 3.1 发酵过程参数 3.2 参数相关基本特性 3.3 理化相关 3.4 生物相关 3.5 参数相关特性与工艺操作分析 第四章 基于参数相关的发酵过程优化与放大 4.1 检测参数与发酵过程优化 4.2 微生物代谢体系 4.2.1 微生物基本代谢体系 4.2.2 不同代谢体系与参数相关 4.3 菌体生长控制与过程优化 第五章 初级代谢产物过程优化 5.l 分解代谢产物 5.2合成代谢产物 5.3营养缺陷型代谢产物 第六章 次级代谢产物过程优化 第七章 基因工程菌高密度高表达 7.1原核细胞表达系统产物 7.2真核细胞表达系统产物 7.3代谢工程与代谢途径强化 第八章 动物细胞大规模培养过程优化 第九章 发酵过程参数检测技术 第十章 生物反应器与计算机控制 第一章 前言 1.1 发酵工程控制的历史发展 发酵现象的早期认识 1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在 1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的 1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 ─── 酶 发酵工程的早期阶段 人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。 20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）──由食品工业向非食品工业发展 好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。 1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。 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，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。 1928年由 Fleming发现青霉素 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ─── 40u/ml 1943年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml 当今： 100m3─200m3 ─── 5-7万u/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素 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。 抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗 污染设计制造。 意义： 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 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 学科发展与属性 微生物利用工业的迅速发展──产生了生化工程学科 发酵工程的三大学科基础──微生物学、生物化学及生化工程 现代生物技术──分子生物学与发酵工程 20世纪50年代： 氨基酸发酵工业──谷氨酸、赖氨酸 核酸发酵工业──肌苷酸、乌苷酸 微生物变异株通过代谢调节──代谢控制发酵技术 切断支路代谢转折点: 酶的活力调控, 酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏) →解除菌体自身的反馈调节,特殊调节控制的利用,突变株的应用,前体、终产物、副产物等 20世纪70年代 细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物： 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 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 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 基因水平的信息流 : 细胞代谢流分布的空间与时 间特征 生物反应器 : 物料和能量供应上对代谢流 产生影响 当