人工智能时代发酵优化与放大技术的机遇与挑战

人工智能(artificial intelligence, AI)技术正引发一场新的产业革命,其成功应用正从信息产业迅速渗透到各行各业。传统的发酵工程技术受到巨大挑战的同时更多地迎来了发展变革的机遇。首先,合成生物技术飞速发展使高性能菌株的可获得性及获取效率显著提升,对传统低效的发酵优化放大技术提出很大挑战,亟需对发酵优化放大技术进行升级,以满足高通量菌种性能验证及工艺开发能力的需求;其次,发酵装备技术的持续发展为高效发酵优化技术的进步奠定了良好基础,加之人工智能技术特别是数字孪生与知识图谱等技术的应用,将为传统发酵技术的颠覆性发展带来巨大推动力。本文分别从合成生物时代对发酵优化技术的挑战、发酵优化与放大的核心技术、高通量发酵装备技术、数据可视化技术、数字孪生及知识图谱等智能技术在发酵优化放大中的应用等几个方面进行综述,并对未来工业发酵优化技术的场景以及未来发酵技术对人才培养等提出的新要求进行了展望。     

食药用菌液体发酵及功能活性成分研究现状与展望

利用食药用菌液体发酵技术可获得品质稳定、产物可控、富含多种有效营养和活性成分的功能性原料。本文系统总结了食药用菌液体发酵技术的研究现状和瓶颈,以及食药用菌液体发酵产物中的主要成分和功效,并与栽培子实体进行了比较。通过对食药用菌液体发酵技术瓶颈突破的展望,为食药用菌液体发酵产物的进一步应用提供参考。     

Production of ethanol by coupling fermentation and solvent extraction

Summary A new technology of fermentation is proposed. The inhibitor product is removed continuously by coupling fermentation and solvent extraction. Applied to ethanol fermentation this technology is suitable to any case where the terminal product is inhibitory.The proposed technology uses both plug flow reactor and liquid-liquid extraction to achieve continuously the extractive fermentation of ethanol. The solvent used for liquid-liquid extraction is dodecanol. A new reactor was used. It is a column packed with a porous material . The fermentation broth is pulsed (a) to increase the interfacial area between the liquid medium and the dodecanol, and (b) to: decrease the gas hold up.Alcoholic fermentations were performed on glucose syrup at 35°C using Saccharomyces cerevisiae, with adsorbed cells as reference, with adsorbed cells and extractive fermentation. The results show that the fermentation is substantially improved. By this new method the ethanol productivity was multiplied by 5 and a solution of 407 g/l of glucose was totally fermented with a yeast which cannot normally transform more than 200 g/l glucose.     

微生物发酵床养猪技术研究进展

微生物发酵床养猪模式是一种新型的低能耗、环保健康养殖方式。本文从微生物发酵床养猪技术原理、垫料的组成与管理技术、垫料微生物群落结构、对病原微生物的抑制作用、挥发性物质以及用后垫料资源化利用技术等方面综述了国内微生物发酵床养猪技术进展,分析了该技术推广应用中存在的问题,并提出构建微生物发酵床垫料资源化利用体系作为今后重点研究与发展方向。     

Ethanol fermentation from biomass resources: current state and prospects

In recent years, growing attention has been devoted to the conversion of biomass into fuel ethanol, considered the cleanest liquid fuel alternative to fossil fuels. Significant advances have been made towards the technology of ethanol fermentation. This review provides practical examples and gives a broad overview of the current status of ethanol fermentation including biomass resources, microorganisms, and technology. Also, the promising prospects of ethanol fermentation are especially introduced. The prospects included are fermentation technology converting xylose to ethanol, cellulase enzyme utilized in the hydrolysis of lignocellulosic materials, immobilization of the microorganism in large systems, simultaneous saccharification and fermentation, and sugar conversion into ethanol.     

灵芝液态深层发酵三萜类化合物研究进展

三萜类化合物是灵芝中主要的活性化学成分之一,由于其具有多种重要的生理活性,现已成为国内外学者研究灵芝的热点。本文总结了灵芝三萜发酵工艺的优化及其生物合成中的信号转导等方面的进展,并在此基础上提出了灵芝发酵研究中存在的问题,以期为灵芝三萜液态深层发酵的调控研究及发酵生产工艺的开发提供参考和启示。     

对青霉素酰化酶发酵生产影响因素的考察

采用巨大芽孢杆菌发酵生产青霉素酰化酶比较理想,但是巨大芽孢杆菌保藏时间短、易变异、发酵周期短,在生产中巨大芽孢杆菌正常的生长代谢,受原料质量、工艺条件影响较大。哈药厂经过一年多的中试,两年大规模生产基本掌握了发酵生产工艺,并能控制发酵生产状态。平均酶活４５０ｕ／１００ｍｌ以上。     

CRISPR/Cas技术及其在发酵菌株上的应用

发酵菌株的改良在发酵工业生产上通常是一项非常重要的内容,而传统的驯化模式周期长、效率低、稳定性差且成本高,很难满足工业化快速生产的要求。规律成簇间隔短回文重复Cas(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/Cas,CRISPR/Cas)是细菌及古生菌中的一种适应性免疫系统,在此系统上改进的基因编辑技术能实行RNA导向的DNA精准编辑。因而利用CRISPR/Cas基因编辑技术对菌株的快速构建和优化,是一条快速获得高产菌株的新途径。本文综述了CRISPR/Cas系统组成、工作原理、分类以及该技术在发酵菌株上的应用研究进展,并探索了该技术存在的问题以及目前的解决办法,最后对CRISPR/Cas技术在发酵工程上的潜力进行了展望。     

燃料乙醇发酵技术研究进展

在分析木质纤维素类生物质制备燃料乙醇原理基础上,重点对燃料乙醇转化过程的发酵工艺进行了论述。目前乙醇发酵工艺主要包括直接发酵、分步糖化发酵、同步糖化发酵、同步糖化共发酵和联合生物加工技术等,对这几种技术的研究现状进行了分析并对其发展趋势进行了展望,通过基因工程构建高效发酵菌种的联合生物加工技术将是未来高效发酵工艺的发展趋势,旨在为有效提高发酵菌株的底物代谢能力,获得高的乙醇产量提供重要参考。     

固态间歇补料乙醇生料发酵新工艺

浓醪发酵是酒精生产的发展方向。与现行酒精厂普遍采用的热蒸煮工艺相比, 生料发酵技术的发展使得浓醪发酵更容易进行。本研究首次在生料发酵中直接采用固态原料间歇补料, 比较了STARGENTM生淀粉水解酶间歇补料工艺和传统无补料工艺, 并对不同补料方式进行了研究。结果表明: 与传统无补料生料发酵工艺相比, 在相同的干基配料浓度30%、相同的生料酶添加量0.22%(W/W)的条件下, 采用15%的起始配料浓度、发酵15~25 h进行间歇补料的新工艺, 酒精产量从17.06%提高到18.50%。该间歇补料优化工艺的建立, 丰富了生料发酵技术的应用。     

乙醇-黄原胶耦联两步发酵

初步探索乙醇-黄原胶耦联两步发酵的可行性和生产工艺,即控制乙醇发酵,发酵液去除固形物后蒸馏回收酒精,然后利用酒精糟液中剩余营养物质进行黄原胶发酵。摇瓶和小罐试验证实方案是可行的,耦联发酵工艺优化条件:选择木薯淀粉进行乙醇发酵60 h后的酒精糟液,添加2 g/L KH2PO4,不添加无机N源。在优化条件下,7 L发酵罐中耦联发酵的黄原胶产量达到20 g/L,转化率约为50%。     

固态发酵技术提高苹果渣附加值的应用研究

能源危机和苹果渣带来的环境问题促进了固态发酵技术的发展.相对于液体深层发酵,固态发酵在生产中具有处理量大,操作简单,成本低等独特的优势.综述了以苹果渣为原料利用固态发酵技术生产酶制剂、柠檬酸、酒精和蛋白饲料等的研究应用进展,以及存在的问题和前景展望.     

豆粕发酵制备大豆肽菌株的筛选

微生物发酵豆粕可以降解大豆蛋白为大豆肽,试验以蛋白酶活力和水解度为指标,结合液体发酵和固体发酵工艺考察菌株的发酵能力,从而筛选优良的豆粕发酵菌株。结果表明,通过初筛和复筛获得3株能较好发酵豆粕的芽胞菌菌株,为豆粕发酵工艺的研究奠定了基础。     

从葫芦巴种子中提取薯蓣皂甙元方法的研究

为探明葫芦巴种子中药用活性成分薯蓣皂甙元提取的最佳方法,设置了不同的酸解液浓度及酸解时间以了解葫芦巴粉酸解的适宜条件;并在酸化工艺前将脱脂的葫芦巴粉进行自然发酵或接种曲霉发酵以提高薯蓣皂甙元的提取率。结果表明葫芦巴粉酸解液最佳浓度为15%的硫酸溶液,最适宜的酸解时间为6 h。在酸化工艺前增加发酵工艺,可以显著提高有效成份薯蓣皂甙元的提取率,接霉菌发酵比直接酸化提高62%,自然发酵比直接酸化提高48%。     

拉曼光谱分析技术在资源微生物发酵性能评价中的应用

微生物发酵过程是细胞新陈代谢进行物质转化的过程,为了提高目标产物的转化率,需要对微生物发酵动态特性进行实时分析,以便实时优化发酵过程。拉曼光谱(Raman spectroscopy)量化测试作为一种有应用前景的在线过程分析技术,可以在避免微生物污染的条件下,实现精准监测,进而用于优化控制微生物发酵过程。【目的】以运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)为例,建立微生物发酵过程中葡萄糖、木糖、乙醇和乳酸浓度拉曼光谱预测模型,并进行准确性验证。【方法】采用浸入式在线拉曼探头,收集运动发酵单胞菌发酵过程中多个组分的拉曼光谱,采用偏最小二乘法对光谱信号进行预处理和多元数据分析,结合离线色谱分析数据,对拉曼光谱进行建模分析和浓度预测。【结果】针对运动发酵单胞菌,首先实现拉曼分析仪对单一产品乙醇发酵过程的精准检测,其次基于多元变量分析,建立葡萄糖、乙醇和乳酸浓度变化的预测模型,实现对发酵过程中各成分浓度变化的准确有效分析。【结论】成功建立了一种评价资源微生物尤其是工业菌株发酵液多种组分的拉曼光谱分析方法。该方法为运动发酵单胞菌等工业菌株利用多组分底物工业化生产不同产物的实时检测,以及其他微生物尤其工业菌株的选育和过程优化提供了新方法。     

传统与未来的碰撞：食品发酵工程技术与应用进展

随着生物技术的飞速发展,作为食品生物工程的主要组成部分,食品发酵工程技术不断升级,在传统发酵食品的菌种、发酵过程、产品品质得到改善的同时,生物制造的功能食品组分、未来食品等新型产品也应运而生。首先概述了由生物技术和信息技术的进步带来的食品发酵研究手段与生产方式的多层面变革,并重点阐释了利用食品合成生物学设计构建细胞工厂的思路和方法,以及食品生物工程在微生物分析、过程工程和分离工程方面的智能化进程。其次,介绍了现代食品生物工程技术在改善传统发酵食品品质及安全性、生产功能食品组分、添加剂和酶制剂、创制未来食品和开发新型益生食品方面的应用进展。最后,对全球和我国食品发酵产业面临的挑战和未来发展趋势进行了总结和展望,以期为食品发酵的技术革新和工业化应用提供参考。     

Industrial chemicals from fermentation

This paper examines the potential for carbohydrate fermentation as an alternative process technology for bulk organic chemicals. Major limitations restricting the broadening of scope for fermentation chemicals are identified. These involve the high process energy requirements in pretreating abundant cellulosic feedstocks, low overall conversion, low weight yield and limited product applications of directly biosynthesized fermentation chemicals. The new development directions for chemicals derived directly and indirectly from carbohydrate fermentation are reviewed. The significance of their potential impact on the evolving organic chemical industry is projected.     

多学科交叉发酵工程复合型研究生培养

发酵工程是利用对微生物或其他生物细胞进行改造,在特定的生物反应器内,培养生产某种特定产品的工业化生产过程和技术体系.发酵工程从纯粹依赖经验积累的古老的食品发酵,发展成为食品、农业、医药、化工等生产生活资料的重要生产方式,成为支撑人类可持续发展的关键技术,这离不开交叉学科技术的持续进步.多学科融合交叉和我国在全球产业链的...     

蛋白质组学技术在工业发酵梭菌研究中的应用

介绍了目前应用较广泛的蛋白质组学技术的原理、应用及优缺点;总结了发酵工业中常用的梭菌属细菌;重点阐述了蛋白质组学技术在工业发酵梭状芽孢杆菌研究中的应用,为工业发酵菌种的改良和发酵工艺的优化提供理论依据。最后讨论了今后工业发酵菌种蛋白质组学研究的重点和方向。     

Rheometry of fermentation liquids

This article is concerned with the measurements of rheological properties of nonhomogeneous fermentation liquids. In order to determine the flow curves of such liquids, an impeller measuring system of own design was used, and the method of calibration of the system is presented. The experimental verification was carried out using samples of fermentation broth of Aureobasidium pullulans and it has been shown that the applied measuring technique gives internally consistent results. The sensitivity of the technique proves its applicability for monitoring and control purposes in fermentation technology.