推荐简发酵过程工程学研究及工艺装备新技术张嗣良

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1、张嗣良张嗣良华东理工大学华东理工大学国家生化工程技术研究中心国家生化工程技术研究中心( (上海）上海）2011.112011.11医药、轻工食品、农业、环保、能源、医药、轻工食品、农业、环保、能源、社会可持续发展社会可持续发展生物技术发展生物技术发展需求需求医药、食品领域的重要内医药、食品领域的重要内容和关键技术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丙二醇存在问题：存在问题：优化与放大效果差

2、，研究周期长优化与放大效果差，研究周期长困难：困难：缺乏全局与动态性研究缺乏全局与动态性研究传感器传感器大量生物学信息大量生物学信息(全局与动态) ？仅以传统的仅以传统的生物学方方法或法或化学工程方法有法有很大局限性很大局限性细胞内细胞外温度、搅拌、温度、搅拌、pHpH、DODO、培养基配方、培养基配方基因、转录、基因、转录、表达、代谢途径表达、代谢途径系统系统动态动态基质产物过程宏观信息过程宏观信息工程学经典的生物过程工程学与经典的生物过程工程学与生物学基础生物学基础 为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论 基础学科：基础学科： 生物学、化学、工程学

3、生物学、化学、工程学生物技术生物技术 Biotechnology生物工程生物工程 Bioengineering生物学生物学生物生物工程工程工程学工程学化学化学化学化学工程工程生物生物技术技术生物生物化学化学Moo-Young:Comprehensive Biotechnology 1989. 生物学与化学工程相结合的交义学科，又被生物学与化学工程相结合的交义学科，又被称为生物化工称为生物化工 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过程的一门学科 其中生物反应工程是

4、针对利用生物材料进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，并结合和热态试验，并结合宏观动力学和微观动力学宏观动力学和微观动力学研究研究，揭示生物反应器结构变量、操作变量和，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影响策略，从而达到反应系统强化与放大的目的的。 二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素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。的发现，迅速形

5、成工业大规摸生产。l19281928年由年由 FlemingFleming发现青霉素发现青霉素 l19411941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：表面培养：1 1升扁瓶或锥形瓶，内装升扁瓶或锥形瓶，内装200mL200mL麦麸培养基麦麸培养基 40u/ml40u/mll19431943年沉浸培养：年沉浸培养：5m5m3 3 200u/ml 200u/mll当今：当今：100-300m100-300m3 3 11-13 11-13万万u/mlu/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素链霉素、金霉素、新霉索、红霉素 l通气搅拌解决了液体深层培养时的

6、供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。l抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。l抗生素工业的发展抗生素工业的发展l建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养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方法l推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展l为现代发酵工程奠定了基础为现代发酵工程奠定了基础在已提供高产菌株（或细胞株）的基础上，如何把这些在已提供高产菌株（或细胞株）的基础上，如何把这些高产菌种在培养

7、过程中进一步考察它的高产菌种在培养过程中进一步考察它的生理生化特性生理生化特性，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，对生化反应做的动态有详尽的了解，对生化反应做定量的和动力学定量的和动力学方方面的考察面的考察发酵过程是以微生物反应为核心的，有发酵过程是以微生物反应为核心的，有很多过程环节参与很多过程环节参与的综合结果的综合结果，整个过程贯穿着以，整个过程贯穿着以 速率速率 为内容的基础研究为内容的基础研究本征动力学本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等工程因素即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等工

8、程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。影响时的微生物反应的固有反应速率。 生物反应工程：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。其中反应器工程反应器工程是指包括影响微生物反应宏观动力学的生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

9、总反应速率及其意义出发，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，这就是影响因素，这就是宏观动力学宏观动力学研究。研究。 l必须从基质进入细胞，胞内反应，必须从基质进入细胞，胞内反应，代谢产物代谢产物的胞内外分泌等的胞内外分泌等全过程全过程进行分析进行分析 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工程生物学l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、理论、方法和实际有效的实验量

10、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、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。产物得率系数、比生长速率、比消耗基质速率等。l要经过要经过10001000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成分，我们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，最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，只是化只是化学工程宏观动力学概念在发

11、酵工程上的简单延伸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缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容发酵过程计算机控制发酵过程计算机控制l传感器传感器：DODO、pHpH、排气成份分析系统、排气成份分析系统 l计算机控制系统计算机控制系统：单片智能、工控机、单片智能、工控机、pLC pLC 、 DCS DCS l执行执行器件：器件：杯式补料系统杯式补料系统参数自动控制回路参数自动控制回路温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制pHpH调调节（手控或自控）；节（手控或自控）；DODO与转速、通气流量程序串

12、级调与转速、通气流量程序串级调节节 效果效果不明显不明显 静态和动态优化静态和动态优化系统识别系统识别自适应控制自适应控制专家系统、模糊控制、神经元网络专家系统、模糊控制、神经元网络各种混沌现象的研究各种混沌现象的研究 实际工厂生产实际工厂生产 效果不明显效果不明显因次分析法因次分析法经验法则法经验法则法数学模拟法数学模拟法时间常数法时间常数法几何相似几何相似流体运动学相似流体运动学相似流体动力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同时满足这些相似条件是不可能的背景背景基因工程研究基因工程研究代谢调控研究代谢调控研究发酵过程代谢途发酵过程代谢途径研究的困难径研究的困难过程数据采集过

13、程数据采集和处理的困难和处理的困难发酵罐发酵罐单一生理调控机制的研究，单一生理调控机制的研究，缺乏发酵过程全局优化缺乏发酵过程全局优化l仍旧局限于寻求最佳的温度仍旧局限于寻求最佳的温度、pHpH、DODO和培养基配方等和培养基配方等l缺乏微观的实时的代谢调控缺乏微观的实时的代谢调控发酵工艺优化研发酵工艺优化研究的基本思路究的基本思路优化与放大优化与放大技术现状技术现状l效率低：效率低：10-30%10-30%l周期长：月、年周期长：月、年l徘徊不前徘徊不前 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，

14、国内外都没有很好解决。方法，存在很大的问题，国内外都没有很好解决。n过程优化主要靠人工经验长期摸索过程优化主要靠人工经验长期摸索效果差周期长效果差周期长提高工业生产规模发酵单位需提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年数年到几十年时间，特别是大宗发酵产品时间，特别是大宗发酵产品新产品或国外引进技术：新产品或国外引进技术：投产投产进程慢，周期长进程慢，周期长n过程放大主要采用人工经验逐级放大过程放大主要采用人工经验逐级放大效果差风险大效果差风险大从摇瓶到工业规模（从摇瓶到工业规模（1-1-几百几百m m3 3）逐级放大，耗时耗财和人力逐级放大，耗时耗财和人力放大指数越大风险越大放大指数越大风险越大

15、（新设备、新产品）（新设备、新产品）n影响发酵工程整体技术发展和在国民经济发展中的作用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整体技术：菌种、产品分离、产品质量、节能减排、先进装备技术、：菌种、产品分离、产品质量、节能减排、先进装备技术、大宗发酵产品大宗发酵产品急需新技术急需新技术, ,降低生产成本降低生产成本, ,提高市场竞争能力提高市场竞争能力生物能源等生物能源等可持续发展可持续发展的战略需求已经提到议事日程的战略需求已经提到议事日程 为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论工程学工程学方法方法现象与问题：发酵过程是一个高度复杂的生命

16、过程系统，发酵过程是一个高度复杂的生命过程系统，细胞细胞内成千上万个基因、代谢物和反应器的混合传递内成千上万个基因、代谢物和反应器的混合传递方法特征；l不同的空间尺度和时间尺度的不同的空间尺度和时间尺度的基因、细胞代谢基因、细胞代谢、反应器混合传递、反应器混合传递等网络；等网络；l网络间存在网络间存在物质流、能量流、信息流物质流、能量流、信息流等多输入等多输入多输出关系多输出关系工程学方法：l基于宏观动力学研究的工程学方法的局限性基于宏观动力学研究的工程学方法的局限性l提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理论与方法论与方法（20022002年）年）生物

17、反应器生物反应器典型的具有时空多尺度结构的复杂系统典型的具有时空多尺度结构的复杂系统 反应器内的反应器内的浓度场、温浓度场、温度场、速度度场、速度场分布场分布颗粒团颗粒团聚、气聚、气泡聚并泡聚并颗粒聚团颗粒聚团内的菌体内的菌体细胞细胞细胞内细胞内代谢网代谢网络络基因基因DNA、RNA网络网络反应器反应器细胞代谢细胞代谢基因水平基因水平 空间尺度空间尺度基因水平基因水平的分子尺度属于的分子尺度属于纳尺度纳尺度范围，一般在范围，一般在1010-9-9m m以下以下细胞细胞属于属于微尺度微尺度范围，在范围，在1010-8-8-10-10-4-4m m反应器反应器属于属于介尺度介尺度范围，在范围，在1

18、010-3-3-10-102 2m m -6 -4 -2 0 2 4 6 s log time酶浓度变化酶浓度变化质量作用质量作用变构控制变构控制m-RNA控制控制种群选择种群选择进化进化 微生物和细胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑微生物和细胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑 制、亚基的制、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结合和解离、共价修饰和降解）控制的时间常数描述在ms至至s的的范围内范围内 基因表达基因表达调控水平上（诱导、阻遏）描述至调控水平上（诱导、阻遏）描述至min 细胞细胞生长由生长由小时至天小时至天为单位为单位 种群种群选择和进化水平上则描述至选择和进化

19、水平上则描述至更大更大的单位的单位呈网络多输入多输出关系呈网络多输入多输出关系n不是简单的统计热力学关系不是简单的统计热力学关系n网络结构表现在不同尺度的网络状态的网络结构表现在不同尺度的网络状态的互动关系互动关系 多输入多输出关系多输入多输出关系 n能量流、物质流、信息流n生命属性所特有的生命属性所特有的时空串联时空串联反应关系反应关系n微生物微生物代谢流代谢流 网络研究的的核心问题网络研究的的核心问题红红 霉霉 素素头孢菌素头孢菌素C维生素维生素B12阿维菌素阿维菌素重组植酸酶重组植酸酶新工艺新工艺新装置新装置应用与推广应用与推广流场特性研究流场特性研究（CFD、PIV）创新点创新点3 3

20、过程放大过程放大代谢机制代谢机制(微观微观)(组学、酶、代谢组学、酶、代谢谱、谱、13C）创新点创新点2 2过程优化过程优化生理特性生理特性(宏观宏观)(OUR、CER、RQ)传感器、软件包、传感器、软件包、反应器设计反应器设计创新点创新点1 1过程信息与过程信息与装置技术装置技术内容与创新点内容与创新点研究对象研究对象提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理论与方法提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理论与方法（20022002年）年） 参数检测配置示意图参数检测配置示意图在在20002000年上海国际工业博览会上展出的年上海国际工业博览会上展出的FUS-50L(A)FUS-50L(A)发

21、酵罐发酵罐软软件件设设计计数据处理数据处理功能功能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-DO-发酵液中溶解氧浓度、发酵液中溶解氧浓度、OUR-OUR-菌体代谢耗氧速率、菌体代谢耗氧速率、CER-CER-二氧化二氧化碳释放速率、碳释放速率、RQ-RQ-呼吸商呼吸商- -代谢途径、代谢途径、K KL La-a-生物反应器中氧传递速生物反应器中氧传递速率、率、pHpH酸碱度、菌体浓度、酸碱度、菌体浓度、等等4040多个参数多个参数9-259-25小时之间小时之

22、间 RQRQ呈低谷状呈低谷状 必需限制补葡萄糖必需限制补葡萄糖代谢流研究代谢流研究高通量菌种筛选高通量菌种筛选小 试(50L)中 试(3m3、10m3)生产规模(160m3/300m3)微观微观代谢流分析代谢流分析跨尺度相关分跨尺度相关分析和差异分析析和差异分析宏观宏观代谢流分析代谢流分析传感系统传感系统/ /数据数据分析系统扩展分析系统扩展计算流体力学计算流体力学研究研究代谢谱代谢谱转录谱转录谱计算、发酵罐设计计算、发酵罐设计验证、代谢流研究验证、代谢流研究验证、代谢流研究验证、代谢流研究计算、发酵罐设计计算、发酵罐设计常规育种基因工程改造系统生物学系统生物学用于优化的小试装置用于优化的小试

23、装置发发酵酵车车间间设设计计实验室装置实验室装置计算机数据采集中试系统计算机数据采集中试系统大型发酵罐制造大型发酵罐制造数据数据处理处理软件软件包包中央中央控制控制系统系统(1) 尾气在线质谱技术尾气在线质谱技术(3) 在线显微观察仪在线显微观察仪(2) 活细胞量在线测定技术活细胞量在线测定技术 (5) 原位红外光谱检测技术原位红外光谱检测技术 (4) 基于稳定同位素基于稳定同位素13C的细的细胞微观代谢通量检测技术胞微观代谢通量检测技术 生物过程工程实验室生物过程工程实验室过程质谱仪过程质谱仪新型的新型的500L中试发酵罐与中试发酵罐与中试罐配套的反应器中试罐配套的反应器 离心洗涤 快速取样

24、 灭活 细胞破碎 质谱测定在线电极信号线在线电极信号线在线参数采集线尾气质谱仪数据采集分析系统GC-MS生产规模反应器微型传感反应器 实验装置设计实验装置设计 Citratea-Ketoglutarate Succinyl-CoAOxaloacetateSuccateAcetyl-CoAPyruvate3-P-glycerateG-3-PFructose-6-PGlucoseGluconate-6-PSerineGlycine -ALAVitamin B12GlutamateTCA cycleC1 metabolismPPP pathwayAnaplerosisVitamin B12 bios

25、ynthesisEntner-Doudoroff pathway2-Keto-3-deoxy -6-gluconatePentose-5-P101.9108.3102.2Aspartate100.0100.0100.056.9061.2067.8056.9061.2067.8023.1023.3519.04113.01116.75112.6795.1111.8115.843.1038.8032.2038.7834.8428.3873.592.096.771.590.696.357.778.284.554.575.883.253.575.182.435.631.729.47.88.66.39.7

26、9.06.92.511.640.651.210.640.210.800.200.000.3200.1200.0001.431.200.2432-40 hHOSMOSLOSBetaine15.313.29.01DCW 糖耗糖耗Citratea-Ketoglutarate Succinyl-CoAOxaloacetateSuccateAcetyl-CoAPyruvate3-P-glycerateG-3-PFructose-6-PGlucoseGluconate-6-PSerineGlycine -ALAVitamin B12GlutamateTCA cycleC1 metabolismPPP pa

27、thwayAnaplerosisVitamin B12 biosynthesisEntner-Doudoroff pathway2-Keto-3-deoxy -6-gluconatePentose-5-P108.6101.799.9Aspartate100.0100.0100.079.9081.2080.8079.9081.2080.8012.4512.0112.38110.76110.66111.27163.5147.4140.020.1018.8019.2019.3717.9918.54159.8143.4136.7154.2140.0126.6146.7123.8114.3144.6120.1108.2144.5119.9104.119.3023.7036.40-1.095.428.35-1.494.127.772.013.645.953.207.6410.211.804.208.600.1210.2200.3682.1803.2404.850112-120 hHOSMOSLOSBetaine7.254.362.7632-40h112-120h