演講人：日期:生物技術(shù)概論發(fā)酵工程CATALOGUE目錄01發(fā)酵工程基礎(chǔ)02微生物資源利用03發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)04過程監(jiān)控與控制05下游處理技術(shù)06應(yīng)用與前沿領(lǐng)域01發(fā)酵工程基礎(chǔ)發(fā)酵技術(shù)定義與范疇微生物代謝調(diào)控技術(shù)通過優(yōu)化微生物生長環(huán)境（如pH、溫度、溶氧量）及基因改造手段，定向調(diào)控代謝途徑以高產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物（如抗生素、酶制劑）。多領(lǐng)域交叉應(yīng)用涵蓋食品工業(yè)（酸奶、醬油）、醫(yī)藥（疫苗、胰島素）、農(nóng)業(yè)（生物肥料）及能源（生物乙醇）等領(lǐng)域，體現(xiàn)技術(shù)通用性?，F(xiàn)代發(fā)酵工程擴(kuò)展結(jié)合合成生物學(xué)與自動化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)發(fā)酵到智能發(fā)酵的升級，如高通量篩選菌株與AI驅(qū)動的發(fā)酵參數(shù)優(yōu)化。發(fā)酵過程基本特點(diǎn)多相復(fù)雜體系涉及氣（氧氣）、液（培養(yǎng)基）、固（菌體）三相動態(tài)平衡，需精確控制傳質(zhì)與傳熱效率以確保反應(yīng)均一性。嚴(yán)格無菌操作發(fā)酵全程需避免雜菌污染，采用高溫蒸汽滅菌、空氣過濾（HEPA）及封閉式生物反應(yīng)器保障純種培養(yǎng)。代謝產(chǎn)物多樣性同一菌種在不同條件下可能產(chǎn)生初級（如乙醇）或次級代謝產(chǎn)物（如青霉素），需通過代謝流分析優(yōu)化工藝。發(fā)酵工業(yè)發(fā)展簡史傳統(tǒng)發(fā)酵階段（史前-19世紀(jì)）人類早期利用自然發(fā)酵制作酒類、面包，如中國商代釀酒技術(shù)及古埃及啤酒釀造，依賴經(jīng)驗(yàn)傳承。微生物學(xué)奠基（19-20世紀(jì)初）現(xiàn)代生物技術(shù)革命（20世紀(jì)后期至今）巴斯德證實(shí)發(fā)酵由微生物引起，科赫建立純培養(yǎng)技術(shù)，推動青霉素（1928年）等抗生素的工業(yè)化生產(chǎn)?；蚬こ叹ㄈ缰亟M大腸桿菌產(chǎn)人胰島素）與大型生物反應(yīng)器（容積達(dá)100m3以上）的應(yīng)用，使發(fā)酵效率提升百倍。12302微生物資源利用工業(yè)菌種選育策略自然選育與誘變育種通過篩選自然界中高產(chǎn)菌株或利用物理（如紫外線、X射線）、化學(xué)（如亞硝基胍）誘變劑誘導(dǎo)基因突變，結(jié)合高通量篩選技術(shù)獲得性能優(yōu)化的工業(yè)菌種。適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化（ALE）在可控環(huán)境中對微生物施加長期選擇壓力（如高溫、高滲透壓），促使其自發(fā)積累有益突變，適用于耐受性菌株的開發(fā)?；蚬こ谈脑觳捎肅RISPR-Cas9等基因編輯技術(shù)定向修飾菌株代謝通路，例如增強(qiáng)目標(biāo)產(chǎn)物合成酶的表達(dá)或敲除競爭性代謝分支，顯著提升發(fā)酵效率。菌種保藏與復(fù)壯技術(shù)超低溫冷凍保藏法將菌種懸浮于含甘油或DMSO的保護(hù)液中，置于-80℃或液氮（-196℃）中長期保存，適用于絕大多數(shù)微生物，存活率高且遺傳穩(wěn)定性好。真空冷凍干燥法（凍干）通過預(yù)凍、真空脫水等步驟將菌種制成凍干粉，可在4℃下保存10年以上，便于運(yùn)輸和商業(yè)化分發(fā)，但需優(yōu)化保護(hù)劑配方以減少細(xì)胞損傷。定期傳代復(fù)壯對保藏菌株進(jìn)行周期性活化培養(yǎng)，結(jié)合平板劃線分離單菌落，篩選表型穩(wěn)定的子代，防止菌種退化或污染，關(guān)鍵操作需在無菌條件下完成。當(dāng)環(huán)境中存在葡萄糖等易利用碳源時(shí)，微生物通過cAMP-CRP系統(tǒng)抑制其他碳源代謝酶合成，需通過分批補(bǔ)料或混合碳源策略解除抑制。微生物代謝調(diào)控機(jī)制碳代謝阻遏效應(yīng)末端產(chǎn)物（如氨基酸）積累可別構(gòu)抑制代謝途徑關(guān)鍵酶活性，或通過阻遏蛋白下調(diào)相關(guān)基因表達(dá)，需通過突變抗反饋調(diào)節(jié)菌株突破限制。反饋抑制與阻遏微生物分泌自誘導(dǎo)劑（如AHLs）感知種群密度，協(xié)調(diào)生物膜形成或次級代謝產(chǎn)物合成，可通過添加QS抑制劑或激活劑精準(zhǔn)調(diào)控發(fā)酵進(jìn)程。群體感應(yīng)（QS）系統(tǒng)03發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)培養(yǎng)基組成優(yōu)化根據(jù)微生物代謝特性選擇葡萄糖、蔗糖或淀粉等碳源，并優(yōu)化其濃度以平衡菌體生長與產(chǎn)物合成，避免底物抑制或碳源浪費(fèi)。碳源選擇與配比采用有機(jī)氮源（如酵母提取物、蛋白胨）或無機(jī)氮源（如硫酸銨），通過實(shí)驗(yàn)確定最佳氮源比例以促進(jìn)酶活性和次級代謝產(chǎn)物積累。氮源類型與濃度調(diào)控添加鎂、鐵、鋅等微量元素及維生素B族，調(diào)節(jié)輔酶活性與細(xì)胞膜通透性，提高菌種耐受性和發(fā)酵效率。微量元素與生長因子補(bǔ)充通過磷酸鹽緩沖體系維持培養(yǎng)基pH穩(wěn)定性，結(jié)合通氣速率與攪拌速度優(yōu)化溶解氧水平，確保好氧菌的呼吸需求。pH緩沖與溶解氧控制滅菌技術(shù)方法利用飽和蒸汽在高溫高壓條件下徹底殺滅培養(yǎng)基中的細(xì)菌芽孢，適用于耐熱設(shè)備與液體培養(yǎng)基的大規(guī)模滅菌。濕熱滅菌（高壓蒸汽滅菌）采用微孔濾膜（0.22μm）對熱敏感成分（如維生素、抗生素）進(jìn)行物理截留除菌，保留有效成分活性。分批滅菌適合小規(guī)模生產(chǎn)，連續(xù)滅菌通過高溫短時(shí)（HTST）處理實(shí)現(xiàn)節(jié)能并減少培養(yǎng)基成分破壞。過濾除菌γ射線或紫外線用于表面滅菌，環(huán)氧乙烷等氣體滅菌劑適用于塑料器皿，需注意殘留毒性對菌種的影響。輻射滅菌與化學(xué)滅菌01020403分批滅菌與連續(xù)滅菌工藝發(fā)酵操作方式分類在發(fā)酵過程中間歇或連續(xù)補(bǔ)加限制性底物，延長對數(shù)生長期，提高細(xì)胞密度與產(chǎn)物得率，如重組蛋白表達(dá)。補(bǔ)料分批發(fā)酵

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固態(tài)發(fā)酵利用農(nóng)副產(chǎn)品（如麩皮）為基質(zhì)，適合真菌產(chǎn)酶；液態(tài)深層發(fā)酵通過通氣攪拌實(shí)現(xiàn)均相反應(yīng)，適用于細(xì)菌與放線菌培養(yǎng)。固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)深層發(fā)酵一次性投料后封閉培養(yǎng)至終點(diǎn)，操作簡單但產(chǎn)物濃度波動大，適用于抗生素等次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。分批發(fā)酵通過恒化器或恒濁器維持穩(wěn)態(tài)培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率與均一產(chǎn)物質(zhì)量，但易染菌且菌種穩(wěn)定性要求高，常見于單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)。連續(xù)發(fā)酵04過程監(jiān)控與控制關(guān)鍵參數(shù)在線檢測溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測通過高精度傳感器實(shí)時(shí)采集發(fā)酵罐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)加熱或冷卻裝置，確保微生物在最適溫度范圍內(nèi)生長代謝。生物量濃度檢測利用光學(xué)密度（OD值）、電容法或近紅外光譜技術(shù)在線監(jiān)測細(xì)胞密度，為補(bǔ)料策略和發(fā)酵終點(diǎn)判斷提供量化依據(jù)。產(chǎn)物積累動態(tài)分析采用高效液相色譜（HPLC）或質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在線檢測目標(biāo)代謝產(chǎn)物（如抗生素、酶制劑）的濃度變化，優(yōu)化工藝條件以提高產(chǎn)率。溶解氧與pH調(diào)控溶解氧（DO）精準(zhǔn)控制通過調(diào)節(jié)攪拌速率、通氣量或富氧氣體比例維持溶氧水平，避免好氧微生物因缺氧導(dǎo)致代謝途徑偏移或發(fā)酵效率下降。pH動態(tài)平衡策略采用酸堿自動流加系統(tǒng)中和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸或氨，維持pH穩(wěn)定范圍（如細(xì)菌發(fā)酵通?？刂圃?.5-7.5），保障酶活性和細(xì)胞膜完整性。耦合反饋機(jī)制集成DO與pH協(xié)同調(diào)控模塊，根據(jù)微生物生長階段動態(tài)調(diào)整參數(shù)，例如在次級代謝產(chǎn)物合成期提高溶氧并微調(diào)pH以激活特定酶系。代謝流分析技術(shù)通過13C或1?N標(biāo)記底物，結(jié)合核磁共振（NMR）解析碳/氮流向，量化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)代謝通量（如TCA循環(huán)、糖酵解途徑），指導(dǎo)基因改造或培養(yǎng)基優(yōu)化。同位素標(biāo)記追蹤法基因組尺度模型構(gòu)建實(shí)時(shí)代謝物組學(xué)整合基因組、轉(zhuǎn)錄組與代謝組數(shù)據(jù)，建立菌株特異性代謝網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測限速步驟并設(shè)計(jì)理性干預(yù)策略（如敲除競爭途徑基因）?；诔咝б合嗌V-質(zhì)譜（UPLC-MS）高通量檢測胞內(nèi)中間代謝物濃度，動態(tài)評估代謝瓶頸并即時(shí)調(diào)整發(fā)酵條件（如補(bǔ)糖時(shí)機(jī)）。05下游處理技術(shù)細(xì)胞分離與破碎離心分離技術(shù)利用高速離心力將細(xì)胞與發(fā)酵液分離，適用于細(xì)菌、酵母等微生物的快速收集，需根據(jù)細(xì)胞密度和粒徑選擇離心速度與時(shí)間。膜過濾技術(shù)采用微濾或超濾膜截留細(xì)胞，同時(shí)允許小分子代謝產(chǎn)物透過，適合大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)，但需注意膜污染和清洗問題。超聲波破碎法通過高頻超聲波空化作用破壞細(xì)胞壁，釋放胞內(nèi)產(chǎn)物，適用于對溫度敏感的蛋白質(zhì)或酶類，但需優(yōu)化功率和時(shí)長以避免產(chǎn)物變性。高壓均質(zhì)破碎利用高壓迫使細(xì)胞通過狹窄閥隙產(chǎn)生剪切力破碎細(xì)胞，效率高且適用于工業(yè)化生產(chǎn)，但設(shè)備成本較高且可能產(chǎn)生局部過熱。產(chǎn)物提取純化溶劑萃取法通過有機(jī)溶劑（如乙醇、丙酮）選擇性溶解目標(biāo)產(chǎn)物，適用于脂溶性成分的分離，需嚴(yán)格控制溶劑比例和pH以避免乳化現(xiàn)象。01離子交換層析利用帶電樹脂吸附目標(biāo)產(chǎn)物，通過改變緩沖液離子強(qiáng)度或pH進(jìn)行洗脫，適用于蛋白質(zhì)、核酸等高純度分離，需優(yōu)化樹脂類型和洗脫條件。親和層析技術(shù)基于生物特異性結(jié)合（如抗原-抗體、酶-底物）純化目標(biāo)物，選擇性極高但成本昂貴，常用于醫(yī)藥級產(chǎn)品的精制。沉淀與結(jié)晶法通過調(diào)節(jié)溫度、pH或添加沉淀劑（如硫酸銨）使產(chǎn)物析出，操作簡單且適合大規(guī)模應(yīng)用，但需后續(xù)重結(jié)晶以提高純度。020304成品干燥與包裝將液態(tài)產(chǎn)物霧化后與熱空氣接觸快速脫水，適用于熱穩(wěn)定性較好的酶制劑或益生菌，需控制進(jìn)風(fēng)溫度以防活性損失。噴霧干燥技術(shù)在真空條件下升華水分以保留產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，適用于疫苗、抗生素等熱敏性物質(zhì)，但能耗高且周期長。冷凍干燥工藝通過氣流使顆粒懸浮并干燥，適合顆粒狀或粉末狀產(chǎn)品（如發(fā)酵飼料添加劑），需優(yōu)化氣流速度和溫度分布。流化床干燥采用自動化充填和密封技術(shù)（如吹瓶-灌裝-封口一體化）確保成品無菌，適用于注射級生物制品，需通過環(huán)境潔凈度驗(yàn)證。無菌包裝系統(tǒng)06應(yīng)用與前沿領(lǐng)域醫(yī)藥生物制品生產(chǎn)重組蛋白藥物規(guī)模化生產(chǎn)利用基因工程改造的微生物或哺乳動物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)，高效生產(chǎn)胰島素、干擾素、單克隆抗體等治療性蛋白，顯著降低生物藥生產(chǎn)成本并提高純度。疫苗開發(fā)與新型佐劑通過發(fā)酵工程大規(guī)模培養(yǎng)減毒/滅活病原體或重組抗原蛋白，結(jié)合納米載體等新型佐劑技術(shù)，加速HPV疫苗、mRNA疫苗等新型疫苗的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。次級代謝產(chǎn)物提取優(yōu)化采用代謝工程調(diào)控放線菌等微生物的發(fā)酵條件，定向提高抗生素（如青霉素）、抗癌藥物（如紫杉醇）的產(chǎn)量，解決天然提取資源受限問題。細(xì)胞治療載體制備利用高密度發(fā)酵培養(yǎng)慢病毒、腺相關(guān)病毒等基因治療載體，滿足CAR-T細(xì)胞療法等前沿醫(yī)療對病毒載體的規(guī)?；枨?。食品發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用利用曲霉、酵母等微生物發(fā)酵大豆、豌豆蛋白，降解抗?fàn)I養(yǎng)因子并產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)，提升植物肉的口感與營養(yǎng)價(jià)值，減少動物蛋白依賴。植物基蛋白發(fā)酵轉(zhuǎn)化

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結(jié)合宏基因組學(xué)解析老窖微生物群落，優(yōu)化白酒、醬油等傳統(tǒng)發(fā)酵工藝的參數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)味物質(zhì)定向調(diào)控與標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。傳統(tǒng)發(fā)酵食品現(xiàn)代化通過多菌種協(xié)同發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)含雙歧桿菌、乳酸菌的酸奶、泡菜等，改善腸道菌群平衡并增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)功能，產(chǎn)品需符合CFU活菌數(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)。功能性益生菌制品開發(fā)采用畢赤酵母等表達(dá)系統(tǒng)工業(yè)化生產(chǎn)淀粉酶、脂肪酶等食品級酶，應(yīng)用于面包烘焙、果汁澄清等工藝，降低能耗并提高產(chǎn)品一致性。酶制劑高效生產(chǎn)環(huán)境生物修復(fù)潛力石油污染降解菌群構(gòu)建篩選鞘氨醇單胞菌等烴類降解菌，通過固定化細(xì)胞發(fā)酵技術(shù)制備高活性菌劑，用于油田、海洋溢油區(qū)的原位生物修復(fù)，降解率可達(dá)90%以上。重金