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发酵工程

image002 image007 image0091.发酵过程优化

 

发酵过程是高度非线性复杂系统,以活细胞为对象的生物反应器中是多尺度的,即基因分子遗传、细胞代谢调节和反应器工程特性三个尺度上相互作用、相互影响。为此提出了微生物过程多尺度优化原理。根据活细胞为主体的微生物发酵过程中基因分子尺度的网络结构、细胞代谢尺度的网络与生物反应器系统多尺度的宏观网络结构的复杂系统,提出了跨尺度测量的多参数相关分析与控制方法。从生物反应器多尺度的物料流、能量流变化和基因尺度信息流的变化分析细胞代谢尺度的变化,研究他们之间的关系,进而实现跨尺度控制的发酵过程优化。

 

  • 优化原理与控制图

 

发酵过程微生物细胞多尺度原理图

 

优化过程示意图

 

n        优化方法与装备:基于代谢流检测的发酵过程多参数相关分析方法与跨尺度测量

 

 

基于代谢流检测的多参数高级发酵罐 (具有14个以上检测传感器)

 

多参数分析的数据分析软件

 

 

  • 优化案例
  • 五年前优化部分产品

 

2.菌种选育与改造

 

在工业生物技术领域,微生物产生菌的遗传特性往往是工业规模高效生产的关键问题之一,随着分子生物学的发展,利用基因工程手段、代谢工程技术、甚至系统生物学方法进行菌种改造研究的例子越来越多,不过由于这些方法要求对出发菌有较详细的遗传背景了解,因此,真正在工业菌种改良中成功的例子不多,常规的诱变育种目前仍是工业生物技术中常用的菌种选育方法之一,常规的育种方法可分为诱变育种、推理选育和原生质体融合等几种方式。

 

基因工程改造

利用传统菌种选育和各种现代生物技术手段构建和筛选得到功能强大的“细胞工厂”(细胞株)是提高生物过程效率的基础。在构建功能细胞时,我们所面对是微生物细胞内由基因、蛋白、代谢物、各种信号分子及它们之间相互作用组成的复杂动态代谢网络,面临的问题往往是必须对细胞代谢途径或网络中的多个基因表达进行有效的调控,同时还需考虑细胞能量、前体、辅因子的供应以及产物的转运和进一步代谢等多方面因素。

近年来,在国家有关科研计划的支持下,我国科技工作者应用各种传统和现代生物技术手段,以工业生物过程为应用目标,取得了多项突破。如:以促进红霉素D转化为红霉素有效成分A为主要目的,在工业生产菌中开展代谢工程研究,调节红霉素合成后修饰途径的羟化酶(eryK)和甲基化酶(eryG)表达,优化红霉素D转化为红霉素A两条代谢途径的通量分布。可有效地改善红霉素组分,使有效成分A的比例达到98%,并使红霉素产量提高20%以上[1]

 

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