(簡)發(fā)酵過程工程學(xué)研究及工藝裝備新技術(shù)(張嗣良)

張嗣良華東理工大學(xué)國家生化工程技術(shù)研究中心(上海）2011.11發(fā)酵過程工程學(xué)研究及工藝裝備新技術(shù)工業(yè)發(fā)酵技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用發(fā)酵工程醫(yī)藥、輕工食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源、…社會(huì)可持續(xù)發(fā)展生物技術(shù)發(fā)展需求醫(yī)藥、食品領(lǐng)域的重要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)新型食品添加劑、防腐劑、功能食品…食品微生物藥物新藥、抗體疫苗、酶…生物能源纖維素乙醇、生物柴油…環(huán)境保護(hù)生物治理、生物預(yù)報(bào)…農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品深加工、生物農(nóng)藥與肥料………數(shù)千年歷史技術(shù)持續(xù)發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)基礎(chǔ)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)抗生素、維生素、基因產(chǎn)品生物基化學(xué)品可降解塑料、生物乙烯、1、3丙二醇…生命科學(xué)發(fā)展與生物過程復(fù)雜系統(tǒng)存在問題：優(yōu)化與放大效果差，研究周期長困難：缺乏全局與動(dòng)態(tài)性研究傳感器大量生物學(xué)信息優(yōu)化與放大困難(全局與動(dòng)態(tài))？僅以傳統(tǒng)的生物學(xué)方法或化學(xué)工程方法有很大局限性細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外溫度、攪拌、pH、DO、培養(yǎng)基配方…基因、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)、代謝途徑…系統(tǒng)動(dòng)態(tài)基質(zhì)產(chǎn)物過程宏觀信息工程學(xué)經(jīng)典的生物過程工程學(xué)與生物學(xué)基礎(chǔ)發(fā)酵過程研究的工程學(xué)理論基礎(chǔ)

───為解決過程優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)提供基本方法和理論

有關(guān)生物技術(shù)的學(xué)科交義基礎(chǔ)學(xué)科：生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)生物技術(shù)Biotechnology生物工程Bioengineering生物學(xué)生物工程工程學(xué)化學(xué)化學(xué)工程生物技術(shù)生物化學(xué)Moo-Young:ComprehensiveBiotechnology1989.生化工程

生物學(xué)與化學(xué)工程相結(jié)合的交義學(xué)科，又被稱為生物化工是運(yùn)用化學(xué)工程的原理和方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室取得的生物技術(shù)成果加以開發(fā)，使之成為生物反應(yīng)過程的一門學(xué)科生物反應(yīng)工程

其中生物反應(yīng)工程是針對(duì)利用生物材料進(jìn)行產(chǎn)品加工時(shí)所特有的反應(yīng)復(fù)雜性，通過冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)，并結(jié)合宏觀動(dòng)力學(xué)和微觀動(dòng)力學(xué)研究，揭示生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)變量、操作變量和操作模式對(duì)特定生物過程及其目標(biāo)產(chǎn)物生成的影響策略，從而達(dá)到反應(yīng)系統(tǒng)強(qiáng)化與放大的目的。生化工程學(xué)形成的工業(yè)基礎(chǔ)

二十世紀(jì)四十年代初，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，青霉素的發(fā)現(xiàn)，迅速形成工業(yè)大規(guī)摸生產(chǎn)。1928年由Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素

1941年美國和英國合作對(duì)青霉素進(jìn)行生產(chǎn)研究表面培養(yǎng)：1升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝200mL麥麩培養(yǎng)基 ──40u/ml1943年沉浸培養(yǎng)：5m3──200u/ml當(dāng)今：100-300m3──11-13萬u/ml

鏈霉素、金霉素、新霉索、紅霉素

主要的技術(shù)進(jìn)展通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)時(shí)的供氧問題。抗雜菌污染的純種培養(yǎng)技術(shù)：無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、無污染接種、大型發(fā)酵罐的密封與抗污染設(shè)計(jì)制造。意義抗生素工業(yè)的發(fā)展建立了一套完整的好氧發(fā)酵技術(shù)，大型攪拌發(fā)酵罐培養(yǎng)方法推動(dòng)了整個(gè)發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展為現(xiàn)代發(fā)酵工程奠定了基礎(chǔ)過程優(yōu)化與放大研究在已提供高產(chǎn)菌株（或細(xì)胞株）的基礎(chǔ)上，如何把這些高產(chǎn)菌種在培養(yǎng)過程中進(jìn)一步考察它的生理生化特性，穩(wěn)定或改進(jìn)微生物反應(yīng)工藝過程，這里要求對(duì)生物物性的動(dòng)態(tài)有詳盡的了解，對(duì)生化反應(yīng)做定量的和動(dòng)力學(xué)方面的考察發(fā)酵過程是以微生物反應(yīng)為核心的，有很多過程環(huán)節(jié)參與的綜合結(jié)果，整個(gè)過程貫穿著以"速率"為內(nèi)容的基礎(chǔ)研究與化學(xué)工程相結(jié)合形成了生化工程動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器工程本征動(dòng)力學(xué)：即沒有在生物反應(yīng)器中各種形式的傳遞過程等工程因素影響時(shí)的微生物反應(yīng)的固有反應(yīng)速率。───形成了經(jīng)典的以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的工程學(xué)概念生物反應(yīng)工程：它涉及二方面的內(nèi)容，即宏觀微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器工程。其中反應(yīng)器工程是指包括影響微生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)的生物反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物料混和傳遞過程特性等宏觀動(dòng)力學(xué)：但是實(shí)際發(fā)酵過程是在生物反應(yīng)器中進(jìn)行，因此，從實(shí)用意義出發(fā)，人們重視一定反應(yīng)器內(nèi)檢測到的反應(yīng)速率即總反應(yīng)速率及其影響因素，這就是宏觀動(dòng)力學(xué)研究。

微生物生長和反應(yīng)過程研究必須從基質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，胞內(nèi)反應(yīng)，代謝產(chǎn)物的胞內(nèi)外分泌等全過程進(jìn)行分析───形成了經(jīng)典的以化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)研究為基礎(chǔ)的發(fā)酵工程生物學(xué)從工程學(xué)角度研究對(duì)生長反應(yīng)的影響。研究各類微生物代謝平衡的理論、方法和實(shí)際有效的實(shí)驗(yàn)量化數(shù)據(jù)。例如胞內(nèi)反應(yīng)中分解代謝、合成代謝和大分子物質(zhì)合成之間的物質(zhì)和能量平衡,生長得率系數(shù)、產(chǎn)物得率系數(shù)、比生長速率、比消耗基質(zhì)速率等。要經(jīng)過1000多步胞內(nèi)反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物和細(xì)胞成分，我們不可能對(duì)這些反應(yīng)進(jìn)行一一定量的計(jì)算測量參數(shù)及其變化的意義缺乏理解最佳工藝控制點(diǎn)為依據(jù)的靜態(tài)操作方法，只是化學(xué)工程宏觀動(dòng)力學(xué)概念在發(fā)酵工程上的簡單延伸缺乏以細(xì)胞代謝流分析與控制為核心的研究內(nèi)容經(jīng)典的以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的工程學(xué)概念經(jīng)典的以化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)研究為基礎(chǔ)的發(fā)酵工程生物學(xué)過程優(yōu)化

發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)控制傳感器：DO、pH、排氣成份分析系統(tǒng)……計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：單片智能、工控機(jī)、pLC、DCS……執(zhí)行器件：杯式補(bǔ)料系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)控制回路溫度自動(dòng)控制；通氣流量自動(dòng)控制；罐壓自動(dòng)控制pH調(diào)節(jié)（手控或自控）；DO與轉(zhuǎn)速、通氣流量程序串級(jí)調(diào)節(jié)……───效果不明顯

模型化靜態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)識(shí)別自適應(yīng)控制專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)各種混沌現(xiàn)象的研究實(shí)際工廠生產(chǎn)───效果不明顯過程放大因次分析法經(jīng)驗(yàn)法則法數(shù)學(xué)模擬法時(shí)間常數(shù)法幾何相似流體運(yùn)動(dòng)學(xué)相似流體動(dòng)力學(xué)相似同時(shí)滿足這些相似條件是不可能的背景基因工程研究代謝調(diào)控研究發(fā)酵過程代謝途徑研究的困難過程數(shù)據(jù)采集和處理的困難發(fā)酵罐單一生理調(diào)控機(jī)制的研究，缺乏發(fā)酵過程全局優(yōu)化技術(shù)發(fā)展中面臨的主要問題仍舊局限于尋求最佳的溫度、pH、DO和培養(yǎng)基配方等缺乏微觀的實(shí)時(shí)的代謝調(diào)控發(fā)酵工藝優(yōu)化研究的基本思路優(yōu)化與放大技術(shù)現(xiàn)狀效率低：10-30%周期長：月、年徘徊不前

對(duì)于活體細(xì)胞調(diào)控來說，采用傳統(tǒng)的生物學(xué)方法或化學(xué)工程的調(diào)控方法，存在很大的問題，國內(nèi)外都沒有很好解決。發(fā)酵過程優(yōu)化放大技術(shù)的現(xiàn)狀與存在的問題過程優(yōu)化主要靠人工經(jīng)驗(yàn)長期摸索───效果差周期長提高工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模發(fā)酵單位需數(shù)年到幾十年時(shí)間，特別是大宗發(fā)酵產(chǎn)品新產(chǎn)品或國外引進(jìn)技術(shù)：投產(chǎn)進(jìn)程慢，周期長過程放大主要采用人工經(jīng)驗(yàn)逐級(jí)放大──效果差風(fēng)險(xiǎn)大從搖瓶到工業(yè)規(guī)模（1-幾百m3）逐級(jí)放大，耗時(shí)耗財(cái)和人力放大指數(shù)越大風(fēng)險(xiǎn)越大（新設(shè)備、新產(chǎn)品）影響發(fā)酵工程整體技術(shù)發(fā)展和在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用整體技術(shù)：菌種、產(chǎn)品分離、產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能減排、先進(jìn)裝備技術(shù)、…大宗發(fā)酵產(chǎn)品急需新技術(shù),降低生產(chǎn)成本,提高市場競爭能力生物能源等可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求已經(jīng)提到議事日程發(fā)酵過程優(yōu)化的基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究發(fā)酵過程研究的工程學(xué)理論基礎(chǔ)

───為解決過程優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)提供基本方法和理論工程學(xué)方法現(xiàn)象與問題：發(fā)酵過程是一個(gè)高度復(fù)雜的生命過程系統(tǒng)，細(xì)胞內(nèi)成千上萬個(gè)基因、代謝物和反應(yīng)器的混合傳遞方法特征；不同的空間尺度和時(shí)間尺度的基因、細(xì)胞代謝、反應(yīng)器混合傳遞等網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)間存在物質(zhì)流、能量流、信息流等多輸入多輸出關(guān)系工程學(xué)方法：基于宏觀動(dòng)力學(xué)研究的工程學(xué)方法的局限性提出發(fā)酵過程復(fù)雜系統(tǒng)多尺度參數(shù)相關(guān)分析理論與方法（2002年）生物反應(yīng)器——典型的具有時(shí)空多尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)

反應(yīng)器內(nèi)的濃度場、溫度場、速度場分布顆粒團(tuán)聚、氣泡聚并顆粒聚團(tuán)內(nèi)的菌體細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)基因DNA、RNA網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)器細(xì)胞代謝基因水平

空間尺度基因水平的分子尺度屬于納尺度范圍，一般在10-9m以下細(xì)胞屬于微尺度范圍，在10-8-10-4m反應(yīng)器屬于介尺度范圍，在10-3-102m

-6-4-20246[s]logtime酶濃度變化質(zhì)量作用變構(gòu)控制m-RNA控制種群選擇進(jìn)化微生物和細(xì)胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑制、亞基的結(jié)合和解離、共價(jià)修飾和降解）控制的時(shí)間常數(shù)描述在ms至s的范圍內(nèi)基因表達(dá)調(diào)控水平上（誘導(dǎo)、阻遏）描述至min細(xì)胞生長由小時(shí)至天為單位種群選擇和進(jìn)化水平上則描述至更大的單位時(shí)間尺度呈網(wǎng)絡(luò)多輸入多輸出關(guān)系不是簡單的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)在不同尺度的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的互動(dòng)關(guān)系───多輸入多輸出關(guān)系能量流、物質(zhì)流、信息流生命屬性所特有的時(shí)空串聯(lián)反應(yīng)關(guān)系微生物代謝流───網(wǎng)絡(luò)研究的的核心問題紅霉素頭孢菌素C維生素B12阿維菌素重組植酸酶……新工藝新裝置應(yīng)用與推廣流場特性研究（CFD、PIV）創(chuàng)新點(diǎn)3過程放大代謝機(jī)制(微觀)(組學(xué)、酶、代謝譜、13C）創(chuàng)新點(diǎn)2過程優(yōu)化生理特性(宏觀)(OUR、CER、RQ)傳感器、軟件包、反應(yīng)器設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)1過程信息與裝置技術(shù)內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)研究對(duì)象總體思路提出發(fā)酵過程復(fù)雜系統(tǒng)多尺度參數(shù)相關(guān)分析理論與方法（2002年）──發(fā)酵過程研究的工程學(xué)理論基礎(chǔ)參數(shù)檢測配置示意圖在2000年上海國際工業(yè)博覽會(huì)上展出的FUS-50L(A)發(fā)酵罐軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理功能BlORADAR。在線檢測參數(shù)實(shí)驗(yàn)室手工測定參數(shù)間接參數(shù)(代謝流特征或工程特征)適應(yīng)多種反應(yīng)器特點(diǎn)融合多種過程理論和控制理論工藝分析與操作遠(yuǎn)程通訊與異地?cái)?shù)據(jù)傳送和分析

DO-發(fā)酵液中溶解氧濃度、OUR-菌體代謝耗氧速率、CER-二氧化碳釋放速率、RQ-呼吸商-代謝途徑、KLa-生物反應(yīng)器中氧傳遞速率、pH酸堿度、菌體濃度、…等40多個(gè)參數(shù)

9-25小時(shí)之間RQ呈低谷狀必需限制補(bǔ)葡萄糖

關(guān)鍵共性技術(shù)與促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步

發(fā)酵過程研究新技術(shù)

代謝流研究高通量菌種篩選小試(50L)中試(3m3、10m3)生產(chǎn)規(guī)模(160m3/300m3)微觀代謝流分析跨尺度相關(guān)分析和差異分析宏觀代謝流分析傳感系統(tǒng)/數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)擴(kuò)展計(jì)算流體力學(xué)研究代謝譜轉(zhuǎn)錄譜計(jì)算、發(fā)酵罐設(shè)計(jì)驗(yàn)證、代謝流研究驗(yàn)證、代謝流研究計(jì)算、發(fā)酵罐設(shè)計(jì)常規(guī)育種基因工程改造系統(tǒng)生物學(xué)可提供的共性關(guān)鍵技術(shù)多尺度參數(shù)相關(guān)過程優(yōu)化研究技術(shù)菌體細(xì)胞生理特性的恒化器技術(shù)研究流場特性與生理特性研究相結(jié)合過程放大技術(shù)過程宏觀代謝流、傳感器配置與在線數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與控制軟件包生物反應(yīng)器CFD流場特性研究穩(wěn)定性13C微觀代謝流測定技術(shù)發(fā)酵過程蛋白譜研究技術(shù)發(fā)酵過程轉(zhuǎn)錄譜與基因芯片技術(shù)研究菌種基因工程改造與系統(tǒng)生物學(xué)合成生物學(xué)研究技術(shù)菌種高通量篩選基于發(fā)酵過程數(shù)據(jù)處理局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫建設(shè)以代謝流研究為核心的高級(jí)發(fā)酵罐大容量數(shù)據(jù)采集的中試發(fā)酵系統(tǒng)5L臺(tái)式發(fā)酵罐系列帶pH測量與補(bǔ)料控制的搖床菌種高通量篩選裝置大型發(fā)酵罐制造技術(shù)大規(guī)模動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器系列尾氣質(zhì)譜儀在線顯微觀察儀活細(xì)胞生物量傳感器實(shí)驗(yàn)室研究與工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)裝置系統(tǒng)用于優(yōu)化的小試裝置發(fā)酵車間設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室裝置計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集中試系統(tǒng)大型發(fā)酵罐制造數(shù)據(jù)處理軟件包中央控制系統(tǒng)生物過程先進(jìn)傳感技術(shù)

（儀器儀表聯(lián)盟首批支撐項(xiàng)目）(1)

尾氣在線質(zhì)譜技術(shù)(3)

在線顯微觀