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發酵工程

image002 image007 image0091.發酵過程優化

 

發酵過程是高度非線性復雜系統,以活細胞為對象的生物反應器中是多尺度的,即基因分子遺傳、細胞代謝調節和反應器工程特性三個尺度上相互作用、相互影響。為此提出了微生物過程多尺度優化原理。根據活細胞為主體的微生物發酵過程中基因分子尺度的網絡結構、細胞代謝尺度的網絡與生物反應器系統多尺度的宏觀網絡結構的復雜系統,提出了跨尺度測量的多參數相關分析與控制方法。從生物反應器多尺度的物料流、能量流變化和基因尺度信息流的變化分析細胞代謝尺度的變化,研究他們之間的關系,進而實現跨尺度控制的發酵過程優化。

 

  • 優化原理與控制圖

 

發酵過程微生物細胞多尺度原理圖

 

優化過程示意圖

 

n????????優化方法與裝備:基于代謝流檢測的發酵過程多參數相關分析方法與跨尺度測量

 

 

基于代謝流檢測的多參數高級發酵罐 (具有14個以上檢測傳感器)

 

多參數分析的數據分析軟件

 

 

  • 優化案例
  • 五年前優化部分產品

 

2.菌種選育與改造

 

在工業生物技術領域,微生物產生菌的遺傳特性往往是工業規模高效生產的關鍵問題之一,隨著分子生物學的發展,利用基因工程手段、代謝工程技術、甚至系統生物學方法進行菌種改造研究的例子越來越多,不過由于這些方法要求對出發菌有較詳細的遺傳背景了解,因此,真正在工業菌種改良中成功的例子不多,常規的誘變育種目前仍是工業生物技術中常用的菌種選育方法之一,常規的育種方法可分為誘變育種、推理選育和原生質體融合等幾種方式。

 

基因工程改造

利用傳統菌種選育和各種現代生物技術手段構建和篩選得到功能強大的“細胞工廠”(細胞株)是提高生物過程效率的基礎。在構建功能細胞時,我們所面對是微生物細胞內由基因、蛋白、代謝物、各種信號分子及它們之間相互作用組成的復雜動態代謝網絡,面臨的問題往往是必須對細胞代謝途徑或網絡中的多個基因表達進行有效的調控,同時還需考慮細胞能量、前體、輔因子的供應以及產物的轉運和進一步代謝等多方面因素。

近年來,在國家有關科研計劃的支持下,我國科技工作者應用各種傳統和現代生物技術手段,以工業生物過程為應用目標,取得了多項突破。如:以促進紅霉素D轉化為紅霉素有效成分A為主要目的,在工業生產菌中開展代謝工程研究,調節紅霉素合成后修飾途徑的羥化酶(eryK)和甲基化酶(eryG)表達,優化紅霉素D轉化為紅霉素A兩條代謝途徑的通量分布。可有效地改善紅霉素組分,使有效成分A的比例達到98%,并使紅霉素產量提高20%以上[1]

 

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