页数：72页文件大小：17.49 MB来源： 发酵工程ppt课件
本课件讲解发酵过程优化与放大，先提出生物反应器过程的多尺度理论，再介绍参数相关分析、专用发酵装置与数据处理软件，最后以鸟苷发酵为例展示从代谢流分析到产业化的全过程。
发酵过程优化与放大概论
本章提要
第一部分 生物反应器过程的多尺度理论──发酵过程优化与放大基础
发酵工艺优化研究的基本思路
背景和原理
不同尺度的网络状态关系：生命所特有的信息流、物质流、能量流具有「变化着的结构」，不仅是线性或动力学因素。
跨尺度测量与控制往往以各自研究的技术背景从单一尺度去理解和分析，这是生物过程的特点。
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，涉及信息流、物质流和能量流，以及生命属性所特有的时空串联反应关系，其中微生物代谢流是网络研究的核心问题。
具有「变化着的结构」：当生物反应器尺寸或操作条件变化时，发生的结果变化不是简单的用线性关系或平均统计方法所能描述的物质状态的变化。导致过程变化的原因除了线性或动力学因素之外，往往还发生在系统结构性的突变。
跨尺度观察与操作
第二部分 发酵过程优化控制中的方法和手段
线性或拟线性关系的数学模型用于发酵生产完整过程，涉及发酵过程参数趋势曲线相关、数学模型、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。
困难：动态性、不可预测性、跨尺度观察、数据驱动型方法、复杂性、多容量过程、高度非线性。
方法和装备技术研究：围绕发酵过程优化控制所需的检测方法与装备技术展开。
多参数趋势曲线相关，区分三个水平（尺度）问题
基本方法：基于参数相关的发酵过程多水平（尺度）问题研究的优化技术；发酵过程多参数调整的放大技术。
物料流检测：用于发酵过程数据优化与放大的专用装置，以生物反应器中的观点，在实验室规模发酵罐具有十四个以上发酵过程在线参数检测或控制，在原理上与现有国内外生物反应器有重大区别。
专门用于发酵过程优化与放大研究用的FUS-50L(A)发酵罐：该装置可同时检测与控制的发酵过程参数，用于优化与放大研究。
软件设计数据处理功能 BIORADAR
计算机控制与数据处理软件包：适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论，便于发酵过程工艺分析和优化操作。
代谢曲线对照：不同批次或工艺条件下发酵代谢曲线的对照分析。
发酵过程的参数相关分析：图示发酵过程中多个在线与离线参数之间的相关关系。
参数曲线相关分析的优势
这种参数相关是生物反应器中物料、能量或信息传递、转换以及平衡或不平衡的结果，其微观因素也许只是发生在基因、细胞或反应器工程水平的某一个尺度上，但最终会在宏观过程中有所反映，这就为研究生物反应器中不同尺度的数据关联分析方法提供了线索。
发酵过程参数检测的意义
参数相关基本特性：各种直接参数、间接参数以及手工测定的实验室参数随着发酵过程的进行而变化，并且参数间发生某种耦合相关，这种参数相关反映了发酵过程多尺度（水平）的问题特征。
发酵过程检测参数的特性
发酵过程参数相关分类
理化相关：搅拌转速、通气流量、罐压力∽溶解氧DO
转速↑，气泡↑，气液接触表面积↑，KLa↑，OTR>OUR，DO↑。
理化相关的普遍特性
生物相关：指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间耦合相关，主要体现在两种方式。
其一，通过生物细胞生长代谢后引起的培养液物性的变化，进而引起的参数相关。
菌体生长引起的生物相关特性
代谢引起的生物相关：通过生物细胞及代谢途径的不同所引起的活性变化，直接对控制对象特性发生影响。菌体细胞代谢活性变化而直接引起的某测定参数的变化，即为代谢特性参数相关。
生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系——不同发酵周期的EO₂浓度与DO的几种对应关系，这种不同的对应关系是与不同操作条件和菌体呼吸强度有关的。
补糖与氮源的利用关系：图示补糖操作与氮源消耗之间的对应变化关系。
生物相关：OUR与DO的基本相关特征：图示加糖后OUR、DO、rpm的变化及O₂消耗与过程传递的物质平衡随时间的变化。
呼吸商(RQ)变化的生物学意义
多基质利用的参数相关变化：图示培养基中多种碳源并存时相关参数的响应变化。
某抗生素发酵的糖与油利用转移：图示发酵过程中碳源利用由糖向油转移的参数变化。
不同尺度问题相关的举例：DO低于临界氧浓度（CLc）时，OUR下降，细胞代谢由好氧向厌氧途径迁移。
分子水平：基因工程血红蛋白 hemoglobin（VHB）对氧的亲和力提高，临界氧下降。
第三部分 发酵过程优化控制举例
鸟苷发酵过程优化与多尺度研究
项目背景：鸟苷是呈味核苷酸二钠「I+G」的重要原料。七十年代上海工业微生物研究所开始研究，发酵水平由7克/升提高到12克/升，没有形成产业；广东星湖公司从工微所购买上述菌株，经过多年研究开发，发酵水平由12克/升提高到16克/升。
项目背景（续）：2000年I+G产品首次独家面市，遇到日本冲击，同年9月投资2.1亿的新开发厂区全面停产。
16 g/L ──> 25 g/L（盈亏持平）。
参数相关分析与状态方程建立：通过鸟苷发酵过程的数据采集发现——40小时OUR下降，补糖速率不变，鸟苷产率迅速下降，即发生了代谢流迁移。
生物反应器：测量观察值→多尺度：细胞代谢流→状态方程建立与系统识别。
实测结果：代谢流分析
代谢途径迁移的酶学测试───HMP途径→EMP途径
代谢网络的代谢反应式与代谢方程组
不同时间代谢流分布：HMP、EMP、丙氨酸代谢流：HMP→EMP→丙氨酸。
生理特性的状态估计：菌体形态变化——菌体生理形态变异与代谢流迁移的相关性。
图像采集与处理：菌体变异的定量分析与研究，以弯度大于0.5、弯度大于1.0作为形态变异的定量判据。
鸟苷生产菌中嘌呤核苷合成途径三段基因序列的分析：嘌呤核苷生物合成与对应的基因操纵子。
生产菌的遗传背景研究：对编码肌苷鸟苷生物合成途径中关键酶的基因进行研究。
根据Genebank中已公布的枯草杆菌基因组序列，针对所要研究的四段序列，设计适当的引物合成基因。
关键技术：分别从下列四个菌株中用PCR拉出上述序列。
研究结果：肌苷和鸟苷生产菌在54位（以翻译起始点为1计）缺失了一个A，因此将导致以下的所有序列发生移码突变，所编码的sAMP合成酶失活，致使AMP合成支路受阻，有利于肌苷和鸟苷的积累。这可能是导致生产菌株产苷水平升高的一个重要原因。
结论：从鸟苷生产菌的基因比较研究结果，本课题的鸟苷生产菌株已具有高产菌的基因结构，而发酵过程中菌体细胞的主流代谢流的迁移是提高生产能力的主要矛盾。
跨尺度分析与工艺改进：确定以代谢流由EMP向HMP途径回复迁移为目标进行过程工艺优化，并以OUR的下降作为跨尺度操作的相关因子。
发现调控因子A加入后短期内OUR的下降速度就开始放慢，到48小时开始维持稳定直至放罐，并且发酵后期的糖耗速率也变慢。
代谢流控制：图示工艺改进后代谢流随时间的变化与控制效果。
工艺改进前后的酶活时序变化：磷酸果糖激酶、磷酸葡萄糖脱氢酶、丙酮酸激酶、柠檬酸合成酶与丙氨酸脱氢酶在工艺改进前后的活力变化对比。
工艺改进前后的代谢流时序变化：HMP、EMP、HPM/EMP与丙氨酸代谢流在工艺改进前后的时序对比。
关键技术
文章、著作发表
基因工程人血清白蛋白(rh-SA)：50L实验室由700 mg/L提高到7 g/L，并放大到500L。附：趋势曲线图。
基因工程疟疾疫苗高密度高表达：70 mg/L → 2.6 g/L。
华蒙金河生物技术有限公司的生产车间现场（50L放大到120M³）：从2000年9月至2001年3月间，饲料金霉素发酵从16000 u/ml提高到21000 u/ml，新增利润1176万元，新增创汇883万元。
远程通讯与异地数据传送与分析：发酵过程数据通过远程通讯实现异地传送与协同分析。
推广应用：涉及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。
参数相关分析的时段特征
发酵过程优化与放大概论：篇章分隔页。
发酵过程优化与放大概论：应用案例的篇章分隔页。
为多家企业的生物技术产业发展做出贡献：相关优化与放大技术已在多个企业的发酵产品中应用。
国强公司在华理科技园的新厂区生化反应器装置：图示新建厂区的生化反应器装置现场。
在多个传统生物技术产品中取得突破
| 企业 | 产品 | 原产量 | 优化后产量 | 放大规模 |
|---|---|---|---|---|
| 内蒙金河实业 | 金霉素 | 16000 u/ml | 21000 u/ml | 50L—120M³ |
| 浙江海正药业 | 阿维菌素 | 1500 u/ml | 2500 u/ml | 80M³ |
| 湖南中湘康神 | 红霉素 | 5000 u/ml | 6000 u/ml | 50L—50M³ |
| 肇庆星湖生物 | 肌苷 | 20 g/L | 40 g/L | 50L—60M³ |
| 肇庆星湖生物 | 鸟苷 | 16 g/L | 34 g/L | 50L—100M³ |
| 西安恒通药业 | 泰乐菌素 | 7000 u/ml | 10000 u/ml | 50L—120M³ |
| 山东胜利股份 | 海南霉素 | 1500 u/ml | 3000 u/ml | 50L—50M³ |
| 华药华胜制药 | 链霉素 | 2.4万 u/ml | 2.7万 u/ml | 50L—50M³ |
| 江西东风药业 | 青霉素 | 4.5万 u/ml | 5.5万 u/ml | 50L—50M³ |
在多个现代生物技术产品中取得突破
| 企业/单位 | 产品 | 原产量 | 优化后产量 | 放大规模 |
|---|---|---|---|---|
| 永业农科 | 基因工程植酸酶 | 800 FTU/ml | 2500 FTU/ml | 50L—10M³ |
| 英国GMX公司 | PIP | 0.3 g/L | 2.1 g/L | 500L |
| 医科院毕特 | 螺旋霉素 | 1000 u/ml | 2500 u/ml | 30L |
| 二军医大 | 疟疾疫苗 | 70 mg/L | 2.3 g/L | 50L |
| 上海凯曼生物 | Apo-AI milano | — | 4.5 g/L | 50L |
说明：末行上海凯曼生物 Apo-AI milano 的原产量在源文件中缺失，本表以「—」占位，建议对照原课件图片补充。
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