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发酵过程优化与控制 课程内容与参考书 内容 发酵过程优化与控制(原理部分) 发酵过程优化与控制(工艺部分) 发酵过程优化与控制(控制部分) 发酵过程优化与控制(实践部分) 参考书目 发酵过程优化原理与实践 陈坚 江南大学 多尺度微生物过程优化 张嗣良 华东理工大学 发酵过程原理 叶勤 华东理工大学 生物技术 医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 环境生物技术 材料生物技术 . . . 工业生物技术 含意：在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物技术来实现产品的制造，这种技术是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服务 核心目标：大规模利用生物体系（如细胞或酶）作为催化剂实现物质转化 发 酵 工 程 ── 利用微生物进行产品生产 生物技术产品生产的发展历程 细胞大规模培养技术 细胞大规模培养 ── 微生物、动植物细胞、藻类细胞等，传统技术或基因工程改造 细胞代谢产物、生物转化、酶、蛋白质表达和基因质粒等 占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。 发酵工程产业化发展 目前，全球发酵产品的年销售额在1000亿美元左右，并以每年约7％～8％的速率增长。 我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。 发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力 人类社会经济发展的危机 随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。 基于碳氢化合物的经济转变为基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 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。 《细胞大规模培养》在生物技术产业发展中的作用 21世纪的生物技术产业究竟是一个什么样的格局？作为生物技术产业的核心，以微生物为代表的过程研究，在已经开始的生物经济时代是处于一种什么状态？能起何种作用？面临怎样的课题? 这是人们所关注的问题！ 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 大型发酵罐搅拌装置 第一章 绪论 一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制 一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的生产强度(缩短发酵周期) 发酵过程优化的目标 使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行 发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和生物反应器的研究 发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立 什么是非结构模型？ 什么是结构模型呢？ 非结构模型 把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略，即细胞的生长处于所谓的平衡生长状态，此基础上建立的模型称为非结构模型 非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起的经验或半经验关联模型 结构模型 由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型 在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型 生物反应器工程的研究内容 生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等是影响微生物反应宏观动力