第10章 发酵过程的优化和放大

第10章生物过程的优化和放大

生物过程的研究一般经历

摇瓶培养→小罐培养→中试→生产规模

10.1 生物过程的优化

优化方法

1单次单因子法

2统计法：Plackett-Burman法，部分因子设计法响应面法，响应面法

响应面法：中心组合设计法，Box-Behnken法

3改进单纯形法

统计法一般需要经过以下几步：实验设计；实验结果的数据分析，以得到合适的数学模型；数学模型的检验，即方差分析；求解最优化值及其校验。

一、Plackett-Burman法

Plackett-Burman法是一种两水平的实验设计方法，它试图用最少的实验次数达到使因子的主效果得到尽可能精确的估计，适用于从众多的考察因子中快速有效地筛选出最为重要的几个因子，但无法考察各因子对发酵的相互交叉的影响，因此常作为响应面法的初步实验，用于确定影响发酵过程的重要因子。

1. 实验设计

Hadamard矩阵

设计的准则为：

1)若要考察k 个因子，则需要进行N=k+1个实验，为便于进行方差分析，往往要求k 至少

包括1-3个虚构变量，即空项，且k为奇数；

2)每个因子取两个水平，即用“＋”、“－”分别代表其高、低水平，低水平为原始培养条件，

高水平约取低水平的1.25倍；

3)矩阵每行含“＋”的数目为(k+1)/2，含“-”的数目为(k-1)/2，而每列含“+ ”、“-”的数目相等；

4)矩阵第一行任意排列，但必须符合上述要求，最后一行全部为“-”；其余行以上一行的最

后一列为该行的第一列，上一行的第一列为该行的第二列，其余类推。

2. 数据分析

3. 方差分析

二、响应面法

1. 实验设计

2. 数据分析

3. 方差分析

4. 优化

10.2 生物过程的放大

不管是微生物细胞、动、植物细胞还是重组质粒，要进行工业化生产，都必须经过放大中试阶段，生化过程的放大有各种各样的方法和手段，其放大方法和原理林林总总，对具体某一体系来说，用何种放大模式可以快捷地成功过渡到工业化生产，没有固定模式，必须针对具体菌种生理生化及培养基及环境条件的放大效应综合考虑，至目前为止，生化过程放大一直是个长脖子的事。

传统的工业放大，一般要经过四个阶段：实验室摇瓶培养、实验室小型发酵罐培养、中间工厂和生产工厂。

一、摇瓶与罐培养的差异

摇瓶的试验条件放大到生产罐或小发酵罐的试验条件转移到大发酵罐时，它们所得产物的产量往往不完全一致，特别是产抗生素的新菌株，差异更大，当然也有一致的巧合。引起这种

差异的原因本质上是由这两种试验规模变化所引起的。它们引起的差异是很复杂的。

引起摇瓶和罐培养的差异主要原因为：

1)体积氧传递系数(K L a)和溶解氧的差异；K d在摇瓶发酵和罐发酵中的差异很大，K d值也可

能差几倍。罐中的(K d)一般都大于摇瓶。

2)CO2浓度的差异；CO2在水中的溶解度随外界压力的增大而增加。发酵罐处于正压状态，

而摇瓶基本上是常压状态，所以罐中培养液的CO2浓度明显大于摇瓶

3)菌丝受机械损伤的差异；罐发酵时，菌体，特别是丝状菌，却受到搅拌叶的剪切力的影

响而受损。其受损程度远远大于摇瓶发酵。

综上所述，上述三个原因就可能造成摇瓶发酵和罐发酵结果之间存在着差异。如果菌株要求较高的K L a值和溶解氧时，罐中生产能力就有可能高于摇瓶，并随K L a和溶氧水平上升而提高。如果菌株对机械损伤是比较敏感的，则罐中生产能力就会低于摇瓶，并随搅拌强度的增强而降低。有时菌株对溶氧和搅拌强度都敏感，其结果就随发酵罐的特性而不同。

二、放大的方法

放大的主要任务是在模型罐与大型罐几何相似的前提下，进行大型罐的空气流量、搅拌转速和搅拌功率消耗的计算。

放大的方法

1单位体积输入功率相等

2保持K L a不变

3单位体积空气流量相同

4空气直线流速相同

1. 几何尺寸放大

在发酵罐放大中，放大倍数实际上是罐的体积增加的倍数，即放大倍m = V2/V1

2. 空气流量的放大

3. 搅拌功率及搅拌转速的放大

思考题

1.生物过程的研究一般可分为哪几个阶段？

2.生物过程优化的方法有哪些？

3.某产物的发酵培养基(g/L)为葡萄糖50 、蛋白胨10、酵母膏10、KH2PO4 2、MgSO4 1，

请设计Plackett-Burman的实验方案。

4.根据文献报道，在机械搅拌通气发酵罐中，黑曲霉葡萄糖氧化酶发酵生产工艺为

pH5.5-6.0，搅拌转速500rpm，气液比1.0-1.5 vvm，现在某研究人员为了确定自己筛选获得黑曲霉菌种在5L机械搅拌通气发酵罐中，葡萄糖氧化酶的最佳发酵工艺，请为其设计改进单纯形法的最初4组实验方案。在完成这4组实验后，若第2组产葡萄糖氧化酶最差，请问第5组实验方案如何？

5.摇瓶培养与罐培养有何差异及其原因？

6.放大的基本原则是什么？放大的准则有哪些？简述主要的放大方法。