發(fā)酵工程原理與技術(shù)演講人：日期:目錄CONTENTS01發(fā)酵基本原理02核心工藝技術(shù)03發(fā)酵設(shè)備系統(tǒng)04過程控制策略05工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域06前沿發(fā)展與挑戰(zhàn)01發(fā)酵基本原理發(fā)酵定義與分類發(fā)酵定義通過微生物的代謝活動，將有機物轉(zhuǎn)化為可利用的產(chǎn)品或特定生物活性物質(zhì)的過程。01發(fā)酵分類根據(jù)微生物種類、底物、代謝途徑和產(chǎn)物等不同，發(fā)酵可分為多種類型，如酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、醋酸發(fā)酵等。02微生物代謝動力學(xué)微生物在適宜的條件下，通過攝取營養(yǎng)物質(zhì)進行生長和繁殖，其生長速度受到底物濃度、溫度、pH值等因素的影響。微生物生長與繁殖代謝途徑與產(chǎn)物能量代謝與調(diào)節(jié)不同的微生物具有不同的代謝途徑，能夠?qū)⒌孜镛D(zhuǎn)化為不同的產(chǎn)物，如酒精、乳酸、醋酸、氨基酸等。微生物通過代謝途徑將底物轉(zhuǎn)化為能量，同時調(diào)節(jié)代謝途徑以適應(yīng)環(huán)境變化。溫度pH值溫度是影響微生物生長和代謝的關(guān)鍵因素，不同的微生物具有不同的最適溫度范圍。pH值對微生物的生長和代謝也有重要影響，不同類型的微生物對pH值的適應(yīng)范圍不同。發(fā)酵過程關(guān)鍵參數(shù)底物濃度與氧氣底物濃度過高或過低都會影響微生物的生長和代謝，而某些微生物在缺氧條件下才能進行發(fā)酵。發(fā)酵時間與產(chǎn)物濃度發(fā)酵時間的長短和產(chǎn)物濃度的高低都會影響產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)量，需要在實驗和生產(chǎn)中加以控制。02核心工藝技術(shù)菌種選育與保藏技術(shù)從自然環(huán)境、傳統(tǒng)發(fā)酵物、生物樣品中篩選優(yōu)良菌種。菌種來源通過遺傳育種、誘變育種等方法，選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強的菌種。菌種篩選采用低溫、干燥、缺氧等條件，以及適宜的保藏劑，保持菌種的活性和數(shù)量。菌種保藏培養(yǎng)基設(shè)計與優(yōu)化培養(yǎng)基成分根據(jù)菌種營養(yǎng)需求，設(shè)計含有碳源、氮源、無機鹽、生長因子等成分的培養(yǎng)基。01培養(yǎng)基優(yōu)化通過單因素試驗、正交試驗等方法，優(yōu)化培養(yǎng)基成分和配比，提高菌體生長速度和代謝產(chǎn)物產(chǎn)量。02培養(yǎng)基制備按照培養(yǎng)基配方，準(zhǔn)確稱量各成分，溶解、調(diào)節(jié)pH值，滅菌后備用。03滅菌與無菌控制采用物理方法（如高溫高壓蒸汽滅菌、干熱滅菌等）或化學(xué)方法（如使用消毒劑、抗生素等）進行滅菌。滅菌方法滅菌效果驗證無菌操作通過無菌試驗、指示劑檢測等方法，驗證滅菌效果是否達(dá)到要求。在無菌環(huán)境下進行接種、培養(yǎng)等操作，防止微生物污染。03發(fā)酵設(shè)備系統(tǒng)生物反應(yīng)器類型與結(jié)構(gòu)攪拌式生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點非攪拌式生物反應(yīng)器包括機械攪拌通氣式、氣升式、鼓泡式等，適用于不同發(fā)酵工藝和規(guī)模。如氣升式、膜生物反應(yīng)器、固定化細(xì)胞反應(yīng)器等，具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、易于放大等優(yōu)點。生物反應(yīng)器通常由罐體、攪拌系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)、進出料系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等部分組成，各部分結(jié)構(gòu)需根據(jù)工藝要求進行設(shè)計。通氣與攪拌控制技術(shù)通氣方式采用空氣壓縮機或真空泵進行通氣，以滿足微生物生長和代謝的需要。攪拌方式控制系統(tǒng)通過機械攪拌或氣升攪拌等方式，使發(fā)酵液中的溶解氧濃度均勻分布，提高微生物的生長速度和代謝水平。通過傳感器實時監(jiān)測發(fā)酵液中的溶氧濃度、溫度等參數(shù)，自動調(diào)節(jié)通氣量和攪拌速度，實現(xiàn)發(fā)酵過程的自動化控制。123設(shè)備清潔與維護標(biāo)準(zhǔn)采用化學(xué)清洗、物理清洗或機械清洗等方法，確保設(shè)備內(nèi)部無殘留物，防止污染和交叉污染。清潔方法定期檢查設(shè)備各部件的磨損情況，及時更換易損件；保持設(shè)備干燥、通風(fēng)，防止設(shè)備受潮、腐蝕；定期對設(shè)備進行潤滑、緊固等維護工作，確保設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。維護措施04過程控制策略溫度/pH/溶氧調(diào)控通過夾套冷卻或加熱系統(tǒng)、溫度傳感器等控制發(fā)酵罐內(nèi)溫度，保證微生物生長和產(chǎn)物合成的最佳溫度條件。溫度控制pH值調(diào)節(jié)溶氧控制通過添加酸堿調(diào)節(jié)劑、使用緩沖液等方法控制發(fā)酵過程中的pH值，確保微生物的適宜生長環(huán)境。通過調(diào)節(jié)攪拌速度、通氣量、氧氣濃度等參數(shù)，確保微生物在發(fā)酵過程中獲得足夠的氧氣。在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集在線監(jiān)測參數(shù)通過在線傳感器實時監(jiān)測發(fā)酵罐內(nèi)溫度、pH值、溶氧濃度、轉(zhuǎn)速、液位等參數(shù)，并實時記錄數(shù)據(jù)。01數(shù)據(jù)采集與處理將采集到的數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)進行處理、分析和存儲，生成圖表和報告，供操作人員參考和決策。02遠(yuǎn)程監(jiān)控通過互聯(lián)網(wǎng)或其他遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，實現(xiàn)對發(fā)酵過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實時數(shù)據(jù)分析。03根據(jù)每次發(fā)酵的實際情況，調(diào)整發(fā)酵條件、培養(yǎng)基成分和操作方法，以提高產(chǎn)物產(chǎn)量和純度。批次/補料/連續(xù)發(fā)酵優(yōu)化批次發(fā)酵優(yōu)化根據(jù)發(fā)酵過程中微生物的生長和產(chǎn)物合成情況，及時補充營養(yǎng)物質(zhì)或調(diào)節(jié)培養(yǎng)條件，以延長發(fā)酵周期和提高產(chǎn)物產(chǎn)量。補料發(fā)酵優(yōu)化通過連續(xù)流加培養(yǎng)基和不斷取出產(chǎn)物，實現(xiàn)發(fā)酵過程的連續(xù)化和自動化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)物質(zhì)量。連續(xù)發(fā)酵優(yōu)化05工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域抗生素與藥物生產(chǎn)紅霉素發(fā)酵紅霉素是由紅色鏈霉菌發(fā)酵產(chǎn)生的一種廣譜抗生素，主要用于治療呼吸道、皮膚及軟組織感染。03頭孢菌素是從頭孢霉菌培養(yǎng)液中提取的一種廣譜抗生素，對多種革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌有抗菌作用。02頭孢菌素發(fā)酵青霉素發(fā)酵利用青霉菌發(fā)酵產(chǎn)生的青霉素可以抑制細(xì)菌生長，廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域。01食品級發(fā)酵制品開發(fā)乳酸菌發(fā)酵乳制品如酸奶、酸乳酪等，具有獨特的風(fēng)味和營養(yǎng)價值。乳制品發(fā)酵酵母菌發(fā)酵面團產(chǎn)生二氧化碳，使面團膨脹，制作出松軟的面包。面包發(fā)酵酵母菌在無氧條件下分解糖類產(chǎn)生酒精，如啤酒、葡萄酒等。酒精飲料發(fā)酵生物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)乙醇發(fā)酵利用微生物將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇，作為可再生能源，可以替代汽油等燃料。01甲烷發(fā)酵通過厭氧消化有機物產(chǎn)生甲烷，用于燃?xì)獍l(fā)電或作為燃料。02生物柴油生產(chǎn)利用微生物發(fā)酵油脂或廢棄油脂，轉(zhuǎn)化為生物柴油，具有環(huán)保、可再生的特點。0306前沿發(fā)展與挑戰(zhàn)合成生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用通過CRISPR-Cas9等基因編輯技術(shù)，實現(xiàn)微生物基因組的精準(zhǔn)改造，提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量和品質(zhì)。基因編輯技術(shù)細(xì)胞工廠構(gòu)建代謝途徑優(yōu)化利用合成生物學(xué)技術(shù)，構(gòu)建具有特定功能的細(xì)胞工廠，實現(xiàn)高效、可持續(xù)的發(fā)酵生產(chǎn)。通過代謝工程手段，優(yōu)化微生物的代謝途徑，提高目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。智能制造與綠色發(fā)酵綠色原料利用開發(fā)可再生資源作為發(fā)酵原料，降低對化石資源的依賴，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。03研發(fā)高效、環(huán)保的分離技術(shù)，降低發(fā)酵產(chǎn)物提取過程中的能耗和污染。02發(fā)酵產(chǎn)物綠色分離智能化發(fā)酵過程控制應(yīng)用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)酵過程的智能化控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。01隨著發(fā)酵規(guī)模的擴大，傳質(zhì)和傳熱效率降低，影響發(fā)酵效果。