发酵理论补充

1、1发酵理论补充发酵工程总论发酵工程总论源于：江南大学生物工程学院源于：江南大学生物工程学院2本章内容本章内容第一节第一节 概述概述第二节第二节 发酵产品的类型发酵产品的类型第三节第三节 发酵工程的地位发酵工程的地位第四节第四节 发酵工业的发展史发酵工业的发展史3第一节第一节 概述概述4“发酵发酵”（Fermentation）一词是拉丁语）一词是拉丁语“沸腾沸腾”（fervere）的派生词，它描述酵母作用于果汁或）的派生词，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的现象麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二是由浸出液中的糖在缺氧条件

2、下降解而产生的二氧化碳所引起的。氧化碳所引起的。基本概念基本概念5狭义狭义 “发酵发酵”的定义：在的定义：在生物化学或生理学上生物化学或生理学上发酵发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为放出二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。乳酸而获得能量等

3、等。基本概念基本概念6广义广义 “发酵发酵”的定义：的定义：工业上所称的发酵工业上所称的发酵是泛是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品即有细抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。基本概念基本概念7“发酵工程发酵工程”的定义：应用微生物学等相关的的定义：应用微生物学等

4、相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。性服务的一门科学。基本概念基本概念8发酵工程的特点发酵工程的特点 ：9发酵工程的特点发酵工程的特点 10发酵工程的特点发酵工程的特点 11按发酵原料来区分按发酵原料来区分糖类物质发酵糖类物质发酵 石油发酵石油发酵 废水发酵废水发酵发酵的类型发酵的类型12按发酵形式来区分按发酵形式来区分 固态发酵固态发酵深层液体发酵深层液体发酵发酵的类型发酵的类型13按发酵产物区分按发酵产物区分 氨基酸发酵氨基酸发酵有机酸

5、发酵有机酸发酵抗生素发酵抗生素发酵酒精发酵酒精发酵维生素发酵维生素发酵酶制剂发酵酶制剂发酵 发酵的类型发酵的类型14按发酵工艺流程区分按发酵工艺流程区分 分批发酵分批发酵分批补料发酵分批补料发酵连续发酵连续发酵发酵的类型发酵的类型15按发酵过程中对氧的不同需求来分按发酵过程中对氧的不同需求来分 好氧发酵好氧发酵 厌氧发酵厌氧发酵 发酵的类型发酵的类型16繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份确定；繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份确定；培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中；培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中；微生物在

6、最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；生长；产物提取和精制；产物提取和精制；过程中排出的废弃物的处理。过程中排出的废弃物的处理。发酵过程的组成发酵过程的组成17典型的发酵过程示意图典型的发酵过程示意图18某种适宜的微生物某种适宜的微生物保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成，温度，溶氧，基组成，温度，溶氧，pH等）等）进行微生物发酵的设备进行微生物发酵的设备提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备备发酵生产的条件发酵生产的条件19发酵工业范围发酵工业范围传统

7、发酵(生物食品)产业 生物健康食品业生物健康食品业食用菌业食用菌业乳酸菌饮料乳酸菌饮料 泡泡 菜菜 业业 微微 藻藻 业业生物保健食品生物保健食品生物食品添加剂及配料业生物食品添加剂及配料业酒酒 精精 业业维生素业维生素业酵酵 母母 业业药膳真菌药膳真菌 生物酿造食品业生物酿造食品业啤啤 酒酒 业业酱酱 油油 业业 白白 酒酒 业业葡萄酒业葡萄酒业黄黄 酒酒 业业果露酒业果露酒业食食 醋醋 业业 酱酱 行行 业业腐腐 乳乳 业业 其其 他他氨基酸业氨基酸业淀粉糖业淀粉糖业有机酸业有机酸业酶制剂业酶制剂业生物防腐剂生物防腐剂其他其他功能糖业功能糖业功能肽业功能肽业功能脂肪酸功能脂肪酸生物色素生物

8、色素生物增稠剂生物增稠剂其其 他他20第二节第二节 发酵产品的类型发酵产品的类型21发酵产品的类型发酵产品的类型22工业生产的微生物体，可分为二种：工业生产的微生物体，可分为二种：供制备面包用的酵母；供制备面包用的酵母；作为人类或动物的食物的微生物细胞（单细胞作为人类或动物的食物的微生物细胞（单细胞蛋白质）。蛋白质）。菌体菌体 23工业上，曾由植物、动物和微生物生产酶。微工业上，曾由植物、动物和微生物生产酶。微生物的酶可以用发酵技术大量生产，是其最大的生物的酶可以用发酵技术大量生产，是其最大的优点。而且与植物或动物相比，改进微生物的生优点。而且与植物或动物相比，改进微生物的生产能力也方便得多。

9、酶的生产是受到微生物本身产能力也方便得多。酶的生产是受到微生物本身严格控制。为改进酶的生产能力可以改变这些控严格控制。为改进酶的生产能力可以改变这些控制，如在培养基中加入诱导物和采用菌株的诱变制，如在培养基中加入诱导物和采用菌株的诱变和筛选技术，以消除反馈阻遏作用。和筛选技术，以消除反馈阻遏作用。 微生物的酶微生物的酶 24微生物代谢产物微生物代谢产物-代谢产物的类别代谢产物的类别l初级代谢产物：初级代谢产物：氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类和碳水化合物等。l次级代谢产物：次级代谢产物：有些微生物的稳定期培养物中所含有的化合物，并不在营养期时出现，而且未见到对细胞代谢功能有明显的影响。例如，

10、抗生素。25微生物代谢产物微生物代谢产物-初级代谢产物及其在工业上的用初级代谢产物及其在工业上的用途举例途举例初级代谢产物初级代谢产物用用 途途乙醇乙醇含酒精饮料中的活性成分含酒精饮料中的活性成分与石油混合后，可作为汽车燃料与石油混合后，可作为汽车燃料柠檬酸柠檬酸食品、化学工业中多种用途食品、化学工业中多种用途丙酮丁醇丙酮丁醇溶剂溶剂氨基酸氨基酸药品、调味品药品、调味品核苷酸核苷酸调味品调味品多糖多糖食品添加剂、提高油类回收率食品添加剂、提高油类回收率维生素维生素食品添加剂、药品食品添加剂、药品26微生物代谢产物微生物代谢产物-初级代谢和次级代谢间的关系初级代谢和次级代谢间的关系 27生物转化

11、过程生物转化过程-定义定义 生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结构相似，但在经济上更有价值的化合物。 转化反应是催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化或同分异构作用。28生物转化过程生物转化过程-特点特点 反应条件温和反应条件温和 (30-40(30-40，常常压，水相反应压，水相反应) ) 反应选择性高反应选择性高 反应产物纯度高（包括光学纯）反应产物纯度高（包括光学纯） 反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃）反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃） 反应收率主要取决于菌种的性能反应收率主要取决于菌种的性能 设备简单设备简单29第三节第三节 发酵工程的地位发酵工程的地位30生物工

12、程重要的组成部分生物工程重要的组成部分 发酵工程发酵工程( Fermentation ) 酶工程酶工程 (蛋白质工程蛋白质工程) (Enzyme engineering & Protein engineering) 基因工程基因工程 ( Genetic engineering) 细胞工程细胞工程 ( Cell engineering )31生物质原料化学品化学品精细化学品精细化学品大宗化学品大宗化学品食品添加剂食品添加剂生物塑料生物塑料溶剂溶剂酚类酚类粘合剂粘合剂脂肪酸脂肪酸碳黑、颜料碳黑、颜料燃料、香料、墨水燃料、香料、墨水洗涤剂洗涤剂生物能源生物能源生物酒精生物酒精生物柴油生物柴油

13、甲醇甲醇氢气氢气沼气沼气发酵工程的地位发酵工程的地位-工业生物技术主要部分工业生物技术主要部分32第四节发酵工业的发展史第四节发酵工业的发展史33第一阶段1900年前年前酒精、醋酒精、醋 使用温度计，使用温度计，比重计和热交换比重计和热交换器器 分批培养分批培养使用纯酵母培使用纯酵母培养物养物(1896), 用优用优质醋接种发酵质醋接种发酵 第二阶段19001940面包酵母，甘油面包酵母，甘油，柠檬酸和丙酮丁，柠檬酸和丙酮丁醇醇 pH离线控制，离线控制，温度控制温度控制 分批和补料培养分批和补料培养应用纯培养技术应用纯培养技术 第三阶段1940目前目前青霉素，氨基酸青霉素，氨基酸，核苷酸，酶，

14、核苷酸，酶 可灭菌的可灭菌的pH和溶和溶氧电极，计算机控氧电极，计算机控制制 分批和补料，连分批和补料，连续培养开始续培养开始菌种筛选程序重菌种筛选程序重要要 发酵工程的过去发酵工业发展年鉴由食品工业向非由食品工业向非食品工业发展食品工业发展抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业34第四阶段1960目前目前用烃和和别的贮用烃和和别的贮存物生产单细胞蛋存物生产单细胞蛋白白 计算机控制计算机控制连续培养连续培养+培养培养基再循环基再循环 生产菌株的遗传生产菌株的遗传工程技术工程技术 第五阶段1979目前目前通常微生物不产通常微生物不产生的异质化合物，生的异质化合物，如胰岛素，干扰素如胰岛素，干扰素 更先进的

15、控制手更先进的控制手段和传感器段和传感器 分批，补料分批，补料-分批分批或连续或连续 用基因工程技术用基因工程技术将外源基因引入微将外源基因引入微生物宿主生物宿主 第六阶段1990目前目前解决能源、资源解决能源、资源、环境等问题的工、环境等问题的工业应用业应用基因组学、蛋白基因组学、蛋白组学、代谢组学等组学、代谢组学等技术紧密结合技术紧密结合代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术组学技术与发酵工程组学技术与发酵工程发酵工程的过去发酵工业发展年鉴351980-19901991-20002001-生物医药生物医药公公司司数数量量第一第一次浪潮次浪潮第二第二次浪潮次浪潮第三第三次浪潮次浪潮转基因植物转基因

16、植物工业生物技术工业生物技术36SGC2C3C5C6C4淀粉淀粉半纤维素半纤维素纤维素纤维素木质素木质素油脂油脂蛋白质蛋白质碳水化合物碳水化合物糖平台糖平台 葡萄糖葡萄糖 果糖果糖 木糖木糖 阿拉伯糖阿拉伯糖热化学平台热化学平台生物合成气生物合成气生 物 质H2、甲烷、甲烷混合醇混合醇 衣康酸衣康酸 乙酰丙酸乙酰丙酸富马酸富马酸丁二酸丁二酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸柠檬酸柠檬酸葡萄糖酸葡萄糖酸山梨醇山梨醇乳酸、甘油乳酸、甘油丙烯酸丙烯酸3-羟基丙酸羟基丙酸乙醇、乙烯乙醇、乙烯资源问题：生活资料和生产资料生产37Biodiesel cruise boat(Amsterdam, The Neth

17、erlands) Ethanol powered car (Sweden) Royal Nedalco truck at ethanol loading point (The Netherlands) Biodiesel filling stationBiodiesel-truck-loading(Germany) 能源问题：大力开发生物能源3801,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0001988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008YearChina Oil Production and Co

18、nsumption (thousand barrels per day)ProductionConsumptionNet importsOil Consumption and Production in China2009年进口依存度已超过年进口依存度已超过50%02004006008001,0001,2001,4001980 19831986 19891992 19951998 20012004YearOil Reserve (billion barrels)World TotalChina我国石油储量只有全球的我国石油储量只有全球的2%Oil Reserves in China39车用燃油

19、占我国石油消费总量车用燃油占我国石油消费总量的的三分之一三分之一车用燃油消耗每年车用燃油消耗每年递增递增15-16% 2015年车用燃油消费量预计年车用燃油消费量预计将达到全国石油消费量的将达到全国石油消费量的65%寻找性能相近、廉价寻找性能相近、廉价、清洁、可再生的车、清洁、可再生的车用替代燃料用替代燃料用生物质发酵生产生物乙醇、用生物质发酵生产生物乙醇、丁醇等！丁醇等！40环境问题：解决复杂环境问题的最经济有效手段 Pretreatment tank Aerobic reactor clearification Discharge Sludge condensedated 污污泥泥 浓浓缩

20、缩罐罐 Sludge Pump Air compressor Sludge disposal Legend wastewaterw 废水管 Sludge Air dewater wastewater 异位生物修复原位生物修复土著原位工程原位废水生物处理工程生物修复411 微生物菌株选育微生物菌株选育 微生物菌株选育、改造与功能优化技术微生物菌株选育、改造与功能优化技术 工业环境与自然环境的巨大差异微生物长期进化的经济型生存本能微生物及其分子的适应能力微生物效率与产率技术手段技术手段：代谢组学流量组学代谢工程生物信息学高通量筛选422 发酵工艺发酵工艺 发酵过程优化、控制与反应器技术发酵过程优化

21、、控制与反应器技术优化的目标是创造最适合微生物或优化的目标是创造最适合微生物或酶工作的环境酶工作的环境需要发展过程环境参数和微生物生需要发展过程环境参数和微生物生理参数的在线监测技术理参数的在线监测技术基于工业微生物生理的发酵过程基于工业微生物生理的发酵过程模型化、预测和控制技术模型化、预测和控制技术 基于人工智能的生物转化过程精基于人工智能的生物转化过程精细控制技术细控制技术433 单元操作单元操作 发酵工程过程工程技术发酵工程过程工程技术细胞群体效应及过程细胞群体效应及过程放大原理放大原理 多相复杂体系物质和能多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律量传递与生物转化规律 生物过程单元耦合与

22、过生物过程单元耦合与过程优化原理程优化原理 1 大规模细胞群体行为及过程放大大规模细胞群体行为及过程放大原理原理 3 多相生化特性分析及生物过程模多相生化特性分析及生物过程模型化型化 2 生化反应过程放大原理与方法生化反应过程放大原理与方法 4 生物生物/ /化学方法耦联设计与调控化学方法耦联设计与调控 5 工业生物过程单元耦合与集成工业生物过程单元耦合与集成 6 工业工业生物过程的系统控制与生物过程的系统控制与优化优化 444 发酵产品分离提取工艺发酵产品分离提取工艺发酵产品高效提取技术与装备发酵产品高效提取技术与装备发酵罐发酵罐 1、 提高产品收率提高产品收率2、 降低生产成本降低生产成本

23、目标 生物反应与产物分离的耦生物反应与产物分离的耦合技术合技术 新型分离介质和新型分离新型分离介质和新型分离方法方法45利用微生物细胞或酶的生物催化功能，进行大规模的物质加工与利用微生物细胞或酶的生物催化功能，进行大规模的物质加工与转化的先进生产方式转化的先进生产方式针对高污染、高能耗的化学工业过程，以生物加工取代化学加工针对高污染、高能耗的化学工业过程，以生物加工取代化学加工5 废物处理废物处理绿色制造工艺的开发绿色制造工艺的开发采用酶技术等方法，改造造纸、皮革、纺织、医药、食品等行业采用酶技术等方法，改造造纸、皮革、纺织、医药、食品等行业节约能耗、降低水资源消耗、降低污染物排放、实现环境友

24、好过程节约能耗、降低水资源消耗、降低污染物排放、实现环境友好过程461 微生物能够积累最大目的微生物能够积累最大目的产物产物(产量产量)的的条件条件是什么？是什么？ 高产量高产量 便于产品分离便于产品分离提取提取关键问题关键问题工程意义工程意义2 底物最多被微生物转化为产底物最多被微生物转化为产物物(转化率转化率)的的条件条件是什么？是什么？粮食原料为底物粮食原料为底物 高转高转化率化率 降低原料成本降低原料成本3 微生物最快速度发酵生产微生物最快速度发酵生产目的产物的目的产物的条件条件是什么？是什么？分批操作为主分批操作为主 高生产高生产强度强度 缩短生产周期缩短生产周期47基于细胞表观特性

25、进行优化基于细胞表观特性进行优化0 4 8 12 16 t / h d (DCW) / (g/L) A 0 20 40 60 80 100 120 140 t / h r (Glucose) / (g/L) B 0 20 40 60 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t / h r (Pyruvate) / (g/L) C 基于细胞内部分析进行优化基于细胞内部分析进行优化高产量高产量高底高底物转物转化率化率高生高生产强产强度度优化策略优化策略在理论和技术上有突破在理论和技术上有突破, ,在工业生产中能广泛应用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显著提高

26、发酵过程的经济性和科学性48举例：丙酮酸发酵举例：丙酮酸发酵GlucosePyruvateAlanineAcetaldehydeEthanolCitrateOAA -KGAcCoAPyruvateOAAPDH(B1, NA)PDC (B1) PT (B6) PC (Bio) B1： 硫胺素硫胺素NA： 烟酸烟酸Bio：生物素：生物素B6： 吡哆醛吡哆醛GlucosePyruvate如何得到丙酮酸高产量发酵？如何得到丙酮酸高产量发酵？-菌株选育和培养条件优化菌株选育和培养条件优化XXXX选育自身不能合成维生素的酵母选育自身不能合成维生素的酵母( (维生素缺陷型维生素缺陷型) )控制培养基中维生素

27、浓度控制培养基中维生素浓度Li Y ，Chen J ， Lun S. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001, 55:680-685, 57:471-479.Li Y, Chen J, Liang D, Lun S-Y. J. Biotechnol. 2000, 81:27-3449t 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 1 2 3 E qs / h-1 t / h 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 F qp / h 0 0.2 0.4 0.6 0.8 m / h-1 1 2 3 -1D 动力学分析高高溶氧溶

28、氧下，丙酮酸转下，丙酮酸转化率较高，但生产强化率较高，但生产强度度(葡萄糖消耗速度葡萄糖消耗速度)较较低低低溶氧下，葡萄糖消低溶氧下，葡萄糖消耗速度加快，然而丙耗速度加快，然而丙酮酸产率却明显下降酮酸产率却明显下降代谢网络分析PyrEt14.7PEP74.65.5OAAAcCoA7.9PyrEt14.7PEP74.65.5OAAAcCoA7.9DO=10%PyrEt2.4PEP94.66.1OAAAcCoA8.7PyrEt2.4PEP94.66.1OAAAcCoA8.7DO=85%PEP到Pyr的通量增加了20%，丙酮酸进一步代谢的通量下降了63.3%高溶氧下转化率高的原因如何提高丙酮酸发酵的

29、转化率和生产强度？如何提高丙酮酸发酵的转化率和生产强度？-分阶段溶氧控制分阶段溶氧控制辅因子分析NADHATP39.0NADHATP39.0NADHATP20.7NADHATP20.7总总ATP下降下降31.4%, NADH下降下降18.6%生产强度(葡萄糖消耗速度)59低溶氧生产强度高的原因DO=10%DO=85%Liming Liu, *Jian Chen. Journal of Biotechnology, 2006, 126(2):173-185 Li-Ming Liu, *Jian Chen. FEMS Yeast Research, 2006, 6:11171129 50高产量高产

30、量(89.4 g/L)高产率高产率(0.636 g/g)高生产强度高生产强度(1.95 g/(L h) 确定分阶段供氧模式:发酵0-16 h控制kLa为450 h-1，16 h后将kLa降低至200 h-1碳平衡分析前16 h较高溶氧有利于碳流合成细胞；采用单一高或低供氧模式，不能同时达到高转化率和高生产强度！采用单一高或低供氧模式，不能同时达到高转化率和高生产强度！16 h后耗氧速率恒定，碳流转向合成丙酮酸结果 016h 1632h 3248h after 48h kL a / h-1 450 300 200 450 300 200 450 300 200 450 300 200 Gluco

31、se1 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Cell growth2 47 30 27 17 13 16 13 13 11 3 10 11 Pyruvate 44 41 32 80 60 55 83 70 57 82 78 41 Ethanol 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Residual carbon 7 27 39 3 27 29 5 17 32 14 12 48 如何提高丙酮酸发酵的转化率和生产强度如何提高丙酮酸发酵的转化率和生产强度?-?-分阶段溶氧控制分阶段溶氧控制分阶段溶氧控制！如何分阶段？分阶段溶氧控

32、制！如何分阶段？Liming Liu,*Jian Chen. Biotechnology and Bioengineering, 2007, 97(4):825-832 Liming Liu, *Jian Chen. Journal of Biotechnology, 2006, 126(2):173-185 511 发酵工程是工业生物技术的主要部分，由于国家需求发酵工程是工业生物技术的主要部分，由于国家需求和社会发展，主要目标已从生活资料的生产转向解决资和社会发展，主要目标已从生活资料的生产转向解决资源、能源和环境问题源、能源和环境问题2 发酵工程的技术内涵，已经从主要是工业应用技术，发酵工

33、程的技术内涵，已经从主要是工业应用技术，发展为紧密依靠生物学、工程学基础研究的工程技术发展为紧密依靠生物学、工程学基础研究的工程技术3 发酵工业与其它学科的交叉，已经从产品生产过程拓发酵工业与其它学科的交叉，已经从产品生产过程拓展到关键技术、方法学展到关键技术、方法学52 生产规模大生产规模大v醋、酱油、啤酒等产量世界第一醋、酱油、啤酒等产量世界第一v抗生素，如青霉素等产量世界第一抗生素，如青霉素等产量世界第一v维生素维生素C、氨基酸、氨基酸(味精味精) 、有机酸、有机酸(如柠檬酸）等如柠檬酸）等产量世界第一产量世界第一产品种类多产品种类多 5000多家多家, 相关产业年产值超过相关产业年产值

34、超过2万亿元，占国民万亿元，占国民经济的经济的20%中国是发酵工业大国中国是发酵工业大国53工艺技术落后工艺技术落后产产 品品国内水平国内水平国际水平国际水平谷氨酸谷氨酸产酸产酸12-13%，转化率，转化率45-55%15-18%，60-65%柠檬酸柠檬酸产酸产酸14-16 25 头孢菌素头孢菌素30000-35000 u/ml 40000 u/ml以上以上 维生素维生素C糖酸转化率糖酸转化率 94 糖酸转化率糖酸转化率97 环境污染严重环境污染严重每年废水达每年废水达80亿亿m3(工业排放总量工业排放总量10%)，COD排放排放500万吨万吨(20)生产水平低生产水平低25%-45%、能耗高

35、、能耗高40%、水耗高、水耗高55%产产 品品每吨排放废水每吨排放废水硫氰酸红霉素硫氰酸红霉素500吨，吨，COD10万万mg/L 味精味精COD6-7万万mg/L废母液近废母液近20吨，总排吨，总排400吨吨柠檬酸柠檬酸COD1-4万万 mg/L中和废水中和废水10吨，总排吨，总排300吨吨 创新品种较少创新品种较少 部分产品长期依赖进口部分产品长期依赖进口中国不是发酵工业强国中国不是发酵工业强国54发酵工程的未来发酵工程的未来 55蛋白质组学蛋白质组学 组学组学Discovery-driven转录组学转录组学代谢组学代谢组学 通量组学通量组学DNA芯片技术芯片技术二维电泳二维电泳/质谱技术

36、质谱技术多维色谱多维色谱/质谱技术质谱技术同位素同位素-核磁共振技术核磁共振技术计算生物学计算生物学基因组模型化技术基因组模型化技术实验生物科学实验生物科学Hypothesis-driven分子遗传学分子遗传学分子微生物学分子微生物学蛋白质工程蛋白质工程结构生物学结构生物学代谢工程代谢工程重组重组DNA技术技术蛋白质结晶及蛋白质结晶及晶体衍射技术晶体衍射技术酶的定向酶的定向进化技术进化技术高通量高通量筛选技术筛选技术微生物生理学微生物生理学反向代谢反向代谢工程技术工程技术细胞功能认识细胞功能认识和优化和优化生物学知识和技术生物学知识和技术56工程学方法和规律工程学方法和规律工业生物工业生物过程过程细胞群体效应细胞群体效应生化、生理特性分析生化、生理特性分析物质和能量传递模型物质和能量传递模型过程放大原理和策略过程放大原理和策略发酵优化发酵优化系统全局优化与集成系统全局优化与集成过程优化过程优化细胞群体效应调细胞群体效应调控的直接放大控的直接放大生物生物/ /化学方法化学方法级联的系统优化级联的系统优化多产物联产目标多产物联产目标的全局调控的全局调控发 现和 认识创 新技 术和 方法集成集成优化优化细胞细胞群体群体单元单元过程过程系统系统优化优化反应