以發(fā)酵過(guò)程多尺度為核心內(nèi)容的發(fā)酵放大

1、以發(fā)酵過(guò)程多尺度為核心內(nèi)容的發(fā)酵罐設(shè)計(jì)與操作條件研究華東理工大學(xué)，國(guó)家生化工程技術(shù)研究中心（上海）上海國(guó)強(qiáng)生化工程裝備有限公司1、發(fā)酵過(guò)程多尺度理論及過(guò)程優(yōu)化與放大為了實(shí)現(xiàn)微生物發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化，往往從各自研究的技術(shù)背景出發(fā)，以單一尺度去理解和分析過(guò)程特點(diǎn)，長(zhǎng)期來(lái)把注意力放在菌種的篩選或基因工程菌的構(gòu)建上，忽視工程問(wèn)題所引起的優(yōu)化問(wèn)題。此外，由于發(fā)酵過(guò)程特征數(shù)據(jù)采集的困難和過(guò)程酶學(xué)研究的困難，發(fā)酵工藝開(kāi)發(fā)研究時(shí)只能采用最佳工藝控制點(diǎn)為依據(jù)的靜態(tài)操作方法，缺乏代謝流變化的實(shí)時(shí)分析。所依據(jù)的基本思想和方法都是采用傳統(tǒng)的生物學(xué)方法或化學(xué)工程的宏觀動(dòng)力學(xué)的調(diào)控方法，這對(duì)活體細(xì)胞的發(fā)酵調(diào)控來(lái)說(shuō)存在很多問(wèn)題，

2、因此長(zhǎng)期來(lái)有關(guān)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化與放大，國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有很好解決。以華東理工大學(xué)張嗣良教授為首的國(guó)家生化工程技術(shù)研究中心（上海）提出了以活細(xì)胞為主體的細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)的生物反應(yīng)過(guò)程，可以分為基因分子尺度、細(xì)胞尺度與生物反應(yīng)器尺度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是不同尺度的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)關(guān)系。認(rèn)為跨尺度觀察與控制是微生物過(guò)程優(yōu)化的關(guān)鍵，由此形成了一套形成了基于參數(shù)相關(guān)的發(fā)酵過(guò)程多水平問(wèn)題研究的優(yōu)化技術(shù)和發(fā)酵過(guò)程多參數(shù)調(diào)整的放大技術(shù)。隨著過(guò)程傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)了一種用于生物過(guò)程多尺度研究的新概念發(fā)酵裝置，利用該裝置技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模實(shí)現(xiàn)各發(fā)酵產(chǎn)品的過(guò)程優(yōu)化研究，其優(yōu)化結(jié)果一般可由幾十升發(fā)酵罐直接放大到上百M(fèi)3的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵

3、罐。采用該項(xiàng)目技術(shù)原理和裝置對(duì)各種發(fā)酵產(chǎn)品開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)了紅霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中黃豆餅粉與葡萄糖作為碳源競(jìng)爭(zhēng)性利用時(shí)對(duì)次級(jí)代謝的影響機(jī)制，使發(fā)酵水平由5000u/ml提高到8400u/ml，打破了二十多年來(lái)我國(guó)紅霉素發(fā)酵水平停止不前的局面，進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)水平；金霉素發(fā)酵在實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵罐取得成功后，實(shí)現(xiàn)了1500公里外由上海至內(nèi)蒙的遠(yuǎn)程發(fā)酵過(guò)程診斷，直接放大到120M3發(fā)酵罐，達(dá)到提高發(fā)酵水平30%以上的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平；廣東星湖公司的鳥(niǎo)苷發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)了代謝流遷移，經(jīng)深入研究，使發(fā)酵水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，由17g/L提高到34g/L，在與國(guó)外產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得了成功；WHO項(xiàng)目由上海第二軍醫(yī)大學(xué)構(gòu)建完

4、成的Pichia酵母表達(dá)系統(tǒng)的基因工程瘧疾疫苗高密度高表達(dá)由70mg/L提高到2600mg/L，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平；基因工程白蛋白由700mg/L提高到7g/L。我們先后對(duì)青霉素、紅霉素、飼料金霉素、鏈霉素、黃霉素、泰樂(lè)霉素、棒酸、鳥(niǎo)苷、肌苷、基因工程白旦白、基因工程瘧疾疫苗、基因工程植酸酶、胰島素原（PIP）、基因工程必特螺旋霉素進(jìn)行研究，分別提高了20%到成倍增加。該項(xiàng)目裝置的推廣應(yīng)用，推動(dòng)了我國(guó)包括傳統(tǒng)生物技術(shù)和基因工程技術(shù)在內(nèi)的發(fā)酵行業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)改造，縮短了這一領(lǐng)域內(nèi)的國(guó)際差距。目前正在推廣應(yīng)用的企業(yè)和研究單位來(lái)自全國(guó)各地已達(dá)三十多家，涉及抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、飼料添加劑、

5、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等醫(yī)藥、輕工、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等行業(yè)，社會(huì)效益巨大，研制的裝備改變了我國(guó)生物反應(yīng)器技術(shù)的落后狀態(tài)，為形成我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的商品化生物反應(yīng)器的支撐產(chǎn)業(yè)起了重要的推動(dòng)作用。1997年，鑒于在華北制藥廠青霉素發(fā)酵的研究成積，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。2001年本項(xiàng)目進(jìn)一步深入研究，又被評(píng)為上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。2002年被評(píng)為國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。2003年，采用本裝置技術(shù)的的鳥(niǎo)苷生產(chǎn)和基因工程植酸酶又分別獲二項(xiàng)上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究幾十年來(lái)隨著發(fā)酵工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)酵工程趨向設(shè)備大型化、高效和自動(dòng)化。以傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，一些氨基酸、抗生素或發(fā)

6、酵輕化工產(chǎn)品都在幾十到100M3以上，一些原來(lái)是小規(guī)模發(fā)酵罐的老廠搬遷新廠區(qū)，發(fā)酵罐的規(guī)模也普遍要求放大。基因工程產(chǎn)品一般附加值高，不需要大型生物反應(yīng)器，但近年來(lái)隨著基因工程酶生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，如基因工程植酸酶的研究成功，由于飼料掭加劑的需求量大，用于基因工程高密度高表達(dá)的大型生物反應(yīng)器研制已勢(shì)在必行。目前國(guó)內(nèi)發(fā)酵過(guò)程工業(yè)放大主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)放大，例單位體積功率相等、單位體積通氣比相同或選用相同的攪拌槳型式等，實(shí)際請(qǐng)況很難把握。后來(lái)又引進(jìn)了化學(xué)工程的冷態(tài)試驗(yàn)方法，對(duì)罐內(nèi)流型進(jìn)行了充分研究，最后根據(jù)這些混和傳遞特點(diǎn)，進(jìn)行大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)。但實(shí)際情況有時(shí)偏差也很大。發(fā)酵過(guò)程放大困難的原因就在放大時(shí)不

7、可能同時(shí)做到幾何相似、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和流體動(dòng)力學(xué)相似，當(dāng)在小試研究時(shí)某一個(gè)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素設(shè)有被觀察到，而這個(gè)因素恰恰在放大時(shí)成為關(guān)鍵因子時(shí)，就會(huì)造成整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的失敗。為此，我們?cè)诎l(fā)酵過(guò)程放大研究時(shí)，提出了在以代謝流分析與控制為核心的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行研究，由此可得到用于過(guò)程放大的狀態(tài)參數(shù)和代謝流參數(shù)，只要我們?cè)诜糯蟮脑O(shè)備上得到完全相同的反映代謝流的數(shù)據(jù)變化曲線，就可以較好地克服上述放大過(guò)程中的問(wèn)題，因而提出了發(fā)酵過(guò)程參數(shù)調(diào)整的放大技術(shù)。但是以上工作還只是生理代謝參數(shù)相似的放大原則，并不能代表大型發(fā)酵罐的幾何結(jié)構(gòu)和動(dòng)力結(jié)構(gòu)等可設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，也就是說(shuō)在放大規(guī)模的狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為操作或設(shè)

8、計(jì)參數(shù)又有一個(gè)研究過(guò)程，需要在積累性的工作基礎(chǔ)上提升到理論和方法。例如根據(jù)OUR、KLa以及所選用的攪拌槳特性測(cè)算不同發(fā)酵罐規(guī)模所需的攪拌功率研究；根據(jù)OUR與菌體細(xì)胞剪切適應(yīng)量選擇不同規(guī)模發(fā)酵罐的攪拌器形式、轉(zhuǎn)速或其他結(jié)構(gòu)的研究；攪拌器的混和與剪切特性的冷態(tài)研究，計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用研究；大型發(fā)酵罐高功率攪拌器的加工與動(dòng)平衡研究，以及傳動(dòng)裝置技術(shù)和整體罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究；根據(jù)耗氧率進(jìn)行發(fā)熱量估計(jì)及傳熱面積的研究：不同傳熱結(jié)構(gòu)（夾套、蛇管、半園管和激光焊接膨脹型蜂窩夾套）的傳熱效果、強(qiáng)度、無(wú)菌性能和造價(jià)研究；放大效應(yīng)的計(jì)算機(jī)控制補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)研究以及具有補(bǔ)償控制能力的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；以及上述研

9、究的數(shù)據(jù)庫(kù)建立與推廣應(yīng)用。因此，如何在放大的罐體上實(shí)現(xiàn)達(dá)到相同代謝流參數(shù)的目標(biāo)的設(shè)計(jì)，需要從化學(xué)工程、機(jī)械制造到計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的努力。上述內(nèi)容國(guó)內(nèi)基本上都設(shè)有作深入研究，有關(guān)理論與方法基本上是空白，完全靠實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，必需組織力量認(rèn)真解決。3、舉例：高性能高強(qiáng)度的抗生素發(fā)酵罐設(shè)計(jì)高耗氧：OUR達(dá)90以上高功率：3-3.5KW/M3，180M3發(fā)酵罐需560KW必需用國(guó)外變速箱，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)城最多做到120KW，且用皮帶論槳葉選型與設(shè)計(jì)要求高：供氧、全釜混合、剪切要求槳葉型式與空心軸加工要求高，國(guó)內(nèi)能加工的單位很少罐頂承受不了電機(jī)與減速箱的重量，必需罐外支架承重，帶來(lái)攪拌軸精確安裝的困難發(fā)酵罐密封裝置的設(shè)計(jì)與安裝要求提高發(fā)熱量大：1000O千卡/M3以上，再由于大罐的單位體積傳熱面積減少，由此造成的傳熱困難，即傳熱面積不夠，特別對(duì)于南方，矛盾更突出，且?guī)?lái)的用水成本提高只有采用蜂窩夾套可以解決，我們具有激光焊接的蜂窩夾套與檔板制造能力由此而帶來(lái)的新型高性能高強(qiáng)度的大型發(fā)酵罐整體重新設(shè)計(jì)、加工制造與安裝調(diào)試過(guò)程工藝要求高：供氧、補(bǔ)料、基質(zhì)利用的轉(zhuǎn)換（糖與油）、菌體生長(zhǎng)與生產(chǎn)、菌絲形態(tài)發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)