(简)发酵过程工程学研究及工艺装备新技术(张嗣良)

张嗣良华东理工大学国家生化工程技术研究中心(上海）2011.11发酵过程工程学研究及工艺装备新技术工业发酵技术在国民经济发展中的作用发酵工程医药、轻工食品、农业、环保、能源、…社会可持续发展生物技术发展需求医药、食品领域的重要内容和关键技术新型食品添加剂、防腐剂、功能食品…食品微生物药物新药、抗体疫苗、酶…生物能源纤维素乙醇、生物柴油…环境保护生物治理、生物预报…农业农产品深加工、生物农药与肥料………数千年历史技术持续发展工业生物技术基础社会经济发展必须动物细胞大规模培养抗生素、维生素、基因产品生物基化学品可降解塑料、生物乙烯、1、3丙二醇…生命科学发展与生物过程复杂系统存在问题：优化与放大效果差，研究周期长困难：缺乏全局与动态性研究传感器大量生物学信息优化与放大困难(全局与动态)？仅以传统的生物学方法或化学工程方法有很大局限性细胞内细胞外温度、搅拌、pH、DO、培养基配方…基因、转录、表达、代谢途径…系统动态基质产物过程宏观信息工程学经典的生物过程工程学与生物学基础发酵过程研究的工程学理论基础

───为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论

有关生物技术的学科交义基础学科：生物学、化学、工程学生物技术Biotechnology生物工程Bioengineering生物学生物工程工程学化学化学工程生物技术生物化学Moo-Young:ComprehensiveBiotechnology1989.生化工程

生物学与化学工程相结合的交义学科，又被称为生物化工是运用化学工程的原理和方法对实验室取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科生物反应工程

其中生物反应工程是针对利用生物材料进行产品加工时所特有的反应复杂性，通过冷态和热态试验，并结合宏观动力学和微观动力学研究，揭示生物反应器结构变量、操作变量和操作模式对特定生物过程及其目标产物生成的影响策略，从而达到反应系统强化与放大的目的。生化工程学形成的工业基础

二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由Fleming发现青霉素

1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ──40u/ml1943年沉浸培养：5m3──200u/ml当今：100-300m3──11-13万u/ml

链霉素、金霉素、新霉索、红霉素

主要的技术进展通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础过程优化与放大研究在已提供高产菌株（或细胞株）的基础上，如何把这些高产菌种在培养过程中进一步考察它的生理生化特性，稳定或改进微生物反应工艺过程，这里要求对生物物性的动态有详尽的了解，对生化反应做定量的和动力学方面的考察发酵过程是以微生物反应为核心的，有很多过程环节参与的综合结果，整个过程贯穿着以"速率"为内容的基础研究与化学工程相结合形成了生化工程动力学与反应器工程本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。───形成了经典的以动力学为基础的工程学概念生物反应工程：它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应动力学和生物反应器工程。其中反应器工程是指包括影响微生物反应宏观动力学的生物反应器形式、结构、操作方式、物料混和传递过程特性等宏观动力学：但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，因此，从实用意义出发，人们重视一定反应器内检测到的反应速率即总反应速率及其影响因素，这就是宏观动力学研究。

微生物生长和反应过程研究必须从基质进入细胞，胞内反应，代谢产物的胞内外分泌等全过程进行分析───形成了经典的以化学计量学和热力学研究为基础的发酵工程生物学从工程学角度研究对生长反应的影响。研究各类微生物代谢平衡的理论、方法和实际有效的实验量化数据。例如胞内反应中分解代谢、合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能量平衡,生长得率系数、产物得率系数、比生长速率、比消耗基质速率等。要经过1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成分，我们不可能对这些反应进行一一定量的计算测量参数及其变化的意义缺乏理解最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的简单延伸缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容经典的以动力学为基础的工程学概念经典的以化学计量学和热力学研究为基础的发酵工程生物学过程优化

发酵过程计算机控制传感器：DO、pH、排气成份分析系统……计算机控制系统：单片智能、工控机、pLC、DCS……执行器件：杯式补料系统参数自动控制回路温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制pH调节（手控或自控）；DO与转速、通气流量程序串级调节……───效果不明显

模型化静态和动态优化系统识别自适应控制专家系统、模糊控制、神经元网络各种混沌现象的研究实际工厂生产───效果不明显过程放大因次分析法经验法则法数学模拟法时间常数法几何相似流体运动学相似流体动力学相似同时满足这些相似条件是不可能的背景基因工程研究代谢调控研究发酵过程代谢途径研究的困难过程数据采集和处理的困难发酵罐单一生理调控机制的研究，缺乏发酵过程全局优化技术发展中面临的主要问题仍旧局限于寻求最佳的温度、pH、DO和培养基配方等缺乏微观的实时的代谢调控发酵工艺优化研究的基本思路优化与放大技术现状效率低：10-30%周期长：月、年徘徊不前

对于活体细胞调控来说，采用传统的生物学方法或化学工程的调控方法，存在很大的问题，国内外都没有很好解决。发酵过程优化放大技术的现状与存在的问题过程优化主要靠人工经验长期摸索───效果差周期长提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年时间，特别是大宗发酵产品新产品或国外引进技术：投产进程慢，周期长过程放大主要采用人工经验逐级放大──效果差风险大从摇瓶到工业规模（1-几百m3）逐级放大，耗时耗财和人力放大指数越大风险越大（新设备、新产品）影响发酵工程整体技术发展和在国民经济发展中的作用整体技术：菌种、产品分离、产品质量、节能减排、先进装备技术、…大宗发酵产品急需新技术,降低生产成本,提高市场竞争能力生物能源等可持续发展的战略需求已经提到议事日程发酵过程优化的基础与应用技术研究发酵过程研究的工程学理论基础

───为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论工程学方法现象与问题：发酵过程是一个高度复杂的生命过程系统，细胞内成千上万个基因、代谢物和反应器的混合传递方法特征；不同的空间尺度和时间尺度的基因、细胞代谢、反应器混合传递等网络；网络间存在物质流、能量流、信息流等多输入多输出关系工程学方法：基于宏观动力学研究的工程学方法的局限性提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理论与方法（2002年）生物反应器——典型的具有时空多尺度结构的复杂系统

反应器内的浓度场、温度场、速度场分布颗粒团聚、气泡聚并颗粒聚团内的菌体细胞细胞内代谢网络基因DNA、RNA网络反应器细胞代谢基因水平

空间尺度基因水平的分子尺度属于纳尺度范围，一般在10-9m以下细胞属于微尺度范围，在10-8-10-4m反应器属于介尺度范围，在10-3-102m

-6-4-20246[s]logtime酶浓度变化质量作用变构控制m-RNA控制种群选择进化微生物和细胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑制、亚基的结合和解离、共价修饰和降解）控制的时间常数描述在ms至s的范围内基因表达调控水平上（诱导、阻遏）描述至min细胞生长由小时至天为单位种群选择和进化水平上则描述至更大的单位时间尺度呈网络多输入多输出关系不是简单的统计热力学关系网络结构表现在不同尺度的网络状态的互动关系───多输入多输出关系能量流、物质流、信息流生命属性所特有的时空串联反应关系微生物代谢流───网络研究的的核心问题红霉素头孢菌素C维生素B12阿维菌素重组植酸酶……新工艺新装置应用与推广流场特性研究（CFD、PIV）创新点3过程放大代谢机制(微观)(组学、酶、代谢谱、13C）创新点2过程优化生理特性(宏观)(OUR、CER、RQ)传感器、软件包、反应器设计创新点1过程信息与装置技术内容与创新点研究对象总体思路提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理论与方法（2002年）──发酵过程研究的工程学理论基础参数检测配置示意图在2000年上海国际工业博览会上展出的FUS-50L(A)发酵罐软件设计数据处理功能BlORADAR。在线检测参数实验室手工测定参数间接参数(代谢流特征或工程特征)适应多种反应器特点融合多种过程理论和控制理论工艺分析与操作远程通讯与异地数据传送和分析

DO-发酵液中溶解氧浓度、OUR-菌体代谢耗氧速率、CER-二氧化碳释放速率、RQ-呼吸商-代谢途径、KLa-生物反应器中氧传递速率、pH酸碱度、菌体浓度、…等40多个参数

9-25小时之间RQ呈低谷状必需限制补葡萄糖

关键共性技术与促进行业技术进步

发酵过程研究新技术

代谢流研究高通量菌种筛选小试(50L)中试(3m3、10m3)生产规模(160m3/300m3)微观代谢流分析跨尺度相关分析和差异分析宏观代谢流分析传感系统/数据分析系统扩展计算流体力学研究代谢谱转录谱计算、发酵罐设计验证、代谢流研究验证、代谢流研究计算、发酵罐设计常规育种基因工程改造系统生物学可提供的共性关键技术多尺度参数相关过程优化研究技术菌体细胞生理特性的恒化器技术研究流场特性与生理特性研究相结合过程放大技术过程宏观代谢流、传感器配置与在线数据处理技术发酵过程计算机数据处理与控制软件包生物反应器CFD流场特性研究稳定性13C微观代谢流测定技术发酵过程蛋白谱研究技术发酵过程转录谱与基因芯片技术研究菌种基因工程改造与系统生物学合成生物学研究技术菌种高通量筛选基于发酵过程数据处理局域网与数据库建设以代谢流研究为核心的高级发酵罐大容量数据采集的中试发酵系统5L台式发酵罐系列带pH测量与补料控制的摇床菌种高通量筛选装置大型发酵罐制造技术大规模动物细胞培养生物反应器系列尾气质谱仪在线显微观察仪活细胞生物量传感器实验室研究与工业规模生产装置系统用于优化的小试装置发酵车间设计实验室装置计算机数据采集中试系统大型发酵罐制造数据处理软件包中央控制系统生物过程先进传感技术

（仪器仪表联盟首批支撑项目）(1)

尾气在线质谱技术(3)

在线显微观