发酵过程多水平问题及其生物反应器装置技术研_省略__基于过程参数相关的发酵过程优
生物技术制药习题答案
第一章绪论选择题1.生物技术的核心和关键是（A ）A 细胞工程B 蛋白质工程C 酶工程D 基因工程2. 第三代生物技术（ A ）的出现，大大扩大了现在生物技术的研究范围A 基因工程技术B 蛋白质工程技术C 海洋生物技术D细胞工程技术3.下列哪个产品不是用生物技术生产的（D ）A 青霉素B 淀粉酶C 乙醇D 氯化钠4. 下列哪组描述（A ）符合是生物技术制药的特征A高技术、高投入、高风险、高收益、长周期B高技术、高投入、低风险、高收益、长周期C高技术、低投入、高风险、高收益、长周期D高技术、高投入、高风险、低收益、短周期5. 我国科学家承担了人类基因组计划（C ）的测序工作A10% B5% C 1% D 7%名词解释1.生物技术制药采用现代生物技术可以人为的创造一些条件，借助某些微生物、植物或动物来生产所需的医学药品，称为生物技术制药。
2.生物技术药物一般说来，采用DNA重组技术或其它生物新技术研制的蛋白质或核酸来药物称为生物技术药物。
3.生物药物生物技术药物是重组产品概念在医药领域的扩大应用，并与天然药物、微生物药物、海洋药物和生物制品一起归类为生物生物药物。
简答题1.生物技术药物的特性是什么？生物技术药物的特征是：（1）分子结构复杂（2）具有种属差异特异性（3）治疗针对性强、疗效高（4）稳定性差（5）免疫原性（6）基因稳定性（7）体内半衰期短（8）受体效应（9）多效应和网络效应（10）检验特殊性2.简述生物技术发展的不同阶段的技术特征和代表产品？（1）传统生物技术的技术特征是酿造技术，所得产品的结构较为简单，属于微生物的初级代谢产物。
代表产品如酒、醋、乙醇，乳酸，柠檬酸等。
（2）近代生物技术阶段的技术特征是微生物发酵技术，所得产品的类型多，不但有菌体的初级代谢产物、次级代谢产物，还有生物转化和酶反应等的产品，生产技术要求高、规模巨大，技术发展速度快。
代表产品有青霉素，链霉素，红霉素等抗生素，氨基酸，工业酶制剂等。
生物反应器
生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。
生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。
生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。
分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。
另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。
发酵罐发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。
其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。
若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。
前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。
好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。
所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。
若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。
②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。
在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。
③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。
目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000个喷嘴进料。
目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。
生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。
课程思政案例-生物工程设备-生物反应器及其生产现状
《生物工程设备》生物反应器及其生产现状生物反应器是生化工艺过程的核心设备，本案例主要介绍生物反应器的作用、分类、发展历史和研究现状。
并对目前国内生物反应器的突出问题，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口等问题展开讨论，通过教师列举日常实例，引出对于核心技术及自主研发能力的思考，学生查找和总结专业产品的相关资料，从专业领域角度引导学生关注我国制造业的发展，并对其进行爱国主义教育，鼓励学生从自身做起，为我国的民族产业出一份力。
一、教学目标（一）课程教学目标该章节的主题是生物反应器概述，主要讲生物反应器的作用、地位、分类、发展历史和研究现状。
课程的教学目标包括：1.掌握生物反应器的作用、地位和分类；2.了解生物反应器的发展历史和研究现状。
（二）思政育人目标1.设计思路本课程绪论部分内容介绍国内外生物反应器产业发展概况，其中主导生物工程产业的生物反应器大多为国外（如美国、德国、日本等）研发生产。
近些年，我国虽然能够研发一些生物反应器，但仍然存在很多问题。
比如生物反应器的核心部件，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口。
核心部件的依赖必定导致整个产业的对外依赖，不利于今后提高我国生物产业的整体竞争力。
因此在讲述这部分内容时，应从爱国主义和建设中国特色社会主义强国出发，鼓励学生学好专业知识，为以后掌握核心技术，强大我国民族制造业打下基础。
2.思政育人目标使学生认识到掌握核心技术对于提高我国综合国力的重要性，从提高我国制造业市场竞争力角度培养学生学习专业课程的积极性。
3.育人主题创新，发展民族产业等爱国主义教育。
二、教学实施过程1.教学理念：制造业是国民经济的主体，打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。
然而，与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。
发酵工程名词解释
发酵⼯程名词解释加速期：经过迟滞期后，细胞开始⼤量繁殖，进⼊⼀个短暂的加速期并很快到达对数⽣长期。
对数⽣长期：微⽣物经过迟滞期的调整后，进⼊快速⽣长阶段，使细胞数⽬喝菌体质量的增长随培养时间成直线上升。
Monod⽅程：菌体⽣长⽐速与限制性基质浓度的关系⽅程。
减速期：微⽣物群体不会长时间保持指数⽣长，因为营养物质的缺乏，代谢产物的积累，从⽽导致⽣长速率下降，进⼊减速期。
稳定⽣长期：微⽣物在对数⽣长后期，随着基质的消耗，基质不能⽀持微⽣物的下⼀次细胞分裂。
衰亡期：随着基质的严重缺乏，代谢产物的更多积累，细胞的能量储备消耗完毕以及环境条件如温度，PH，⽆机离⼦浓度的恶劣变化，使细胞⽣长进⼊衰亡期简单反应型：底物以恒定的化学计量转化为产物，没有中间产物的积累并⾏反应型：底物以不定的化学计量转化为⼀种以上的产物，⽽且产物⽣成速率随底物浓度⽽变化，⽆中间产物的积累。
串联反应型：底物形成产物前积累⼀定程度的中间产物。
分段反应型：底物形成产物前全部转化为中间产物，再由中间产物转化为最终产物。
复合反应型：⼤多数发酵反应即底物转化产物的过程是⼀个复杂的联合反应。
得率：⽣成的菌体或产物与消耗的基质的关系。
最⼤⽣产率：指发酵时间按从对数⽣长期开始⾄发酵结束计算得出的⽣产率。
开放式连续培养与发酵：指在连续培养与发酵系统中，微⽣物细胞随发酵液⼀起从发酵容器中流出，细胞的流出速率与新细胞的⽣成速率相等。
封闭式连续培养与发酵：指在连续培养与发酵系统中，只允许发酵液从发酵容器中流出，⽽使微⽣物细胞保留在发酵容器中。
单级式连续培养与发酵：采⽤单个发酵容器进⾏的连续培养与发酵系统。
多级式连续培养与发酵：采⽤多个发酵容器串联起来进⾏的连续培养与发酵系统。
恒浊器：指通过光电池检测发酵容器中发酵液的浊度，使发酵容器中的微⽣物细胞浓度保持恒定，从⽽保证微⽣物以最⼤的⽣长速率⽣长。
恒化器：通过⾃动控制系统使发酵容器中限制性基质的浓度保持恒定，从⽽保持微⽣物恒定的⽣长速率。
发酵工程实验讲义
发酵⼯程实验讲义发酵⼯程实验（适合发酵⼯程原理与技术）张建国⽤前沿发酵⼯程（Fermentation Engineering）属于⽣物技术的范畴，⽣物技术⼜称⽣物⼯艺学现代⽣物技术作为⼀门新兴的⾼科技术产业，它的⽣命⼒在于他对社会经济和发展的各个⽅⾯都带来了极⼤冲击和影响。
发酵⼯程是指在最适发酵条件下，发酵罐中⼤量培养细胞和⽣产代谢产物的技术。
发酵⼯程由于涉及到⽣物催化剂，因⽽与化学反应有关。
由于⽣物技术的最终⽬标是建⽴⼯业⽣产过程为社会服务，因⽽该⽣产过程可称为⽣物反应过程（亦称为⽣化反应过程）。
在发酵技术中⼀般包括微⽣物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利⽤固定化酶，固定化细胞所做的反应器加⼯底物（即有⽣化催化剂参加），以及培养加⼯后产物⼤规模的分离提取等⼯艺。
主要是在⽣物反应过程中提供各种所需的最适环境条件。
如酸碱度、湿度、底物浓度、通⽓量以及保证⽆菌状态等研究内容。
⽣物技术产品具有多样性，各个学校的教学资源和课时不同，所进⾏的实验种类不同。
本实验内容根据本校的具体条件进⾏安排。
安排的思路是以最简洁有效的⽅式针对发酵过程的重要要素进⾏实验，便于学⽣对教学内容有个较好的认识，理顺学习思路，为进⾏社会科学实践打下良好基础。
第⼀篇野⽣型菌株的筛选经典的发酵产物来⾃微⽣物，⼟壤是微⽣物的⼤本营。
⽣产菌株的选育源头都来⾃于⾃然界。
如何从⾃然界中筛选⽬的微⽣物，可以根据⽬的微⽣物和产物的特性作为筛选条件，进⾏筛选提⾼筛选效率，从⽽有效的解决菌株从⽆到有的问题。
实验⼀产淀粉酶菌株的筛选（4学时）⼀．实验⽬的筛选⼀株能够合成分解淀粉的微⽣物。
⼆．原理⾃然界微⽣物种类繁多，有些微⽣物能够以淀粉作为碳源进⾏⽣长繁殖是因为它们能够合成分泌淀粉酶，因此我们能够从⾃然界中定向分离出合成淀粉酶的微⽣物。
当能合成淀粉酶的微⽣物在固体培养基中⽣长时，会将淀粉酶分泌到菌体周围，将菌落周围的淀粉⽔解成为⼩分量的糊精、聚糖和单糖。
生物发酵工程中反应器设计与控制技术研究
生物发酵工程中反应器设计与控制技术研究生物发酵工程是利用生物体内酶、菌群等微生物所具有的代谢特性，通过培养、调控等方式将生物体生长代谢的物质转化为所需要的化学物质或生物制品的一种现代工业的生产方式。
反应器是生物发酵过程中必须使用的设备之一，其设计和控制技术的研究意义重大，对工业生产的经济效益和产品质量起着至关重要的作用。
一、反应器设计1. 理论模型反应器设计中的首要任务是建立反应过程的数学模型。
根据反应过程的特点,可以选择不同的反应机理和反应模型建立合理的反应模型。
例如,当反应体系中涉及到生物种群或过程时,则需要考虑到微生物的生长动力学或代谢动力学等特点,采用微生物生长和代谢模型来描述反应体系的特性。
此时，反应器设计者需要根据反应条件的变化，及时修改反应模型，以提高生产过程的效益和产品质量。
2. 反应器装置反应器装置是反应器设计过程中的重要组成部分。
根据不同的反应条件，设计者可以选择不同的反应器类型，例如，批式反应器、连续式反应器等其中的装置形式。
同时，反应器装置的工作也受到反应条件的影响，例如反应器装置需要提供恰当的热交换功能，以保证反应体系中不发生过热或过冷的情况，进而发挥更好的反应效果。
在反应器的装置中，还需要考虑到对反应试剂的供给和反应物的混合，以保证反应的均匀性。
3. 反应器操作反应器操作也是反应器设计的重要环节。
在生物发酵过程中，反应器的操作可以分为固定条件的反应和动态条件的反应两种不同的模式。
因此，在反应器设计中，需要对反应条件的变化提前预测和调整，适时地对反应器的操作进行控制。
二、反应器控制技术反应器设计的基础是对反应体系的深刻理解和适当调控。
在反应器运行过程中，反应控制对于保证反应过程的有效性和高质量生产具有重要意义。
反应器的控制技术主要分为两类，即开环控制和闭环控制。
1. 开环控制开环控制是指对反应器设备的正常工作，对反应条件设定好后，固定支配反应过程的各项参数。
例如，在固定的反应过程中，根据生物种群、反应物种类、设备设计等因素，将所需的设备操作参数予以设定，如反应温度、反应剂流量等指标。
《发酵工程》学习通课后章节答案期末考试题库2023年
《发酵工程》学习通课后章节答案期末考试题库2023年1.在发酵过程中，pH的变化有一定规律，一般来说，延迟期：pH值基本不变；对数生长期：pH值下降；产物生产阶段：pH变化较小，基本趋于稳定；菌体自溶阶段：随着基质的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升。
参考答案:对2.是菌种退化的重要原因之一参考答案:连续传代3.使用高压锅灭菌时，打开排汽阀的目的是参考答案:排尽锅内冷空气4.大多数芽孢细菌形成芽孢在哪个时期参考答案:对数期5.从自然界中筛选菌种时，采样后通常会对样品进行预处理，请问如果采集到的目的微生物在样品中的含量非常少时，就需要用到一种特殊的方法，即对样品中的微生物进行。
参考答案:富集培养6.在发酵中有关氧的利用正确的是参考答案:微生物只能利用发酵液中溶解氧7.菌种分离方法常用的有、、单孢子或单细胞分离法等。
参考答案:稀释分离法###划线分离法###涂布分离法8.我们在选择培养基的灭菌温度时，一般采用参考答案:高温快速9.什么是富集培养法？参考答案:根据微生物的生理特点，通过控制培养基的营养成分或培养条件，使目的微生物迅速地生长繁殖、数量增加，由原来自然条件下的劣势种变成人工环境下的优势种，以利于分离到所需要的菌株。
10.通过影响微生物膜的稳定性，从而影响营养物质吸收的因素是参考答案:pH11.如果在发酵过程中，发酵液经检验发现耐热的芽孢杆菌，则导致染菌原因的最大可能是参考答案:培养基或设备灭菌不彻底12.高温对培养基成分的有害影响，表现在参考答案:形成沉淀###破坏营养###提高色泽###改变培养基的pH值###降低培养基浓度13.通气搅拌强度大，泡沫就会减少参考答案:错14.最适氧浓度是指最适合产物合成的溶解氧浓度范围。
参考答案:对15.抗生素的合成是在微生物生长的参考答案:稳定期16.能影响发酵过程中温度变化的因素是参考答案:微生物分解有机物释放的能量###机械搅拌###水分蒸发###发酵罐散热17.使用淀粉质原料生产酒精时，通常会对原料进行蒸煮，蒸煮的过程是淀粉的和过程、参考答案:糊化###液化18.菌种的选育方法包括2大类，分别为：、参考答案:自然选育###菌种改良；遗传选育19.发酵过程中污染杂菌的途径可能有参考答案:种子带菌###无菌空气带菌###设备渗漏###培养基和设备灭菌不彻底###操作不当20.生产酒精的原料有参考答案:淀粉###糖蜜###纤维素###工业废液21.补料有利于控制微生物的中间代谢，补料的内容有参考答案:碳源###氮源###微量元素或无机盐###诱导酶的底物22.（）、（）参考答案:连续灭菌###分批灭菌23.目前发酵过程已经实现在线测量和控制的参数是参考答案:温度###pH值###溶解氧浓度###消泡###流量24.在生产中，连续灭菌也叫（）参考答案:连消25.菌种分离方法常用的有、、单孢子或单细胞分离法等。
生物反应器的分类与发展
分都可经过人为驯化为生物反应器
动物血液生物反应器
动物膀胱生物反应器
动物生物反应器
外源基因编码产物可直 接从血清中分离
出来,血细胞组分可通 过裂解细胞获得，
外源基因在膀胱中表达的转基因动物 生物反应器,叫动物膀胱生物反应器
动物乳腺生物反应器
动物乳腺生物反应器利用哺
泌尿系统
乳动物乳腺特异性表达的启 动子元件构建转基因动物,
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料
原料制备 预处理
能量 灭菌
过程控制
生物 反应器
能量 产品回收
产物
空气
空压机 除菌
热量
废物
二、生物反应器的分类
机械搅拌式反应器 气升式生生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
生物反应器有很多种,按照不同的分类角度
组织或整株植物，
其中以转基因植物作为生物反应器生产贵重药物和疫
苗已经成为植物基因工程中最有研究前景和商业价值的领
域，
植物生物反应器种类不断增多, 从最初的烟草、拟南
芥到后来的马铃薯、番茄、香蕉、木瓜、豇豆、菠菜、苜
蓿、油菜和芜青等,表达产物包括疫苗、抗体及其片段、
细胞因子、酶及其它药用蛋白和生物活性肽等，
3 生产啤酒 4 生产能源
目前用来生产啤酒的填充 床固定化细胞反应器已完 成中试进入工业生产阶段
光合细菌利用有机物作为电子供 体光敏产氢为工业化生产清洁、 无污染的生物能源提供了具有竞
争力的技术方法
2、动物生物反应器
一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动 物生物反应器，几乎任何有生命的器官、组织或其中一部
在转基因家畜血液中得到人免疫球蛋白、d 球蛋白、B球蛋白、胰蛋白酶、干扰素和生长激素 等,并且都具有正常的生物活性，美国哺乳动物细 胞表达或生产的生物技术药物有53种，
生物发酵工程的最新研究成果
生物发酵工程的最新研究成果生物发酵工程是一种利用微生物、酶等生物催化原理进行生产的工程技术。
随着科技不断进步，生物发酵工程也在不断发展壮大。
下面，让我们来看一下生物发酵工程的最新研究成果。
一、新型菌种的发掘在生物发酵工程中，一种好的菌种是至关重要的。
近年来，科学家们通过高通量筛选技术，发掘出了一系列潜在的生物发酵菌种。
其中，一些新型或改良的微生物，如Lactobacillus reuteri等，具有较大的潜力。
Lactobacillus reuteri是一种含有多种多糖水解酶和蛋白酶的乳酸杆菌。
它可以生长在多种环境中，具有耐酸性和抗性，因此广泛应用于多种生物发酵工程中，如发酵牛奶、豆奶、啤酒等。
此外，最新研究表明，Lactobacillus reuteri还可以用于预防哺乳期儿童的胃肠道疾病。
二、新型生物反应器的开发目前，传统的生物反应器（如罐式反应器）已经无法满足大规模生产需求。
因此，研究人员致力于寻找新型生物反应器。
其中，一种最有潜力的是现代自组装技术制备的自组装反应器。
其优点是不需要繁琐的机械工作，具有生物兼容性和模块化的特点。
由于自组装反应器具有可扩展性和可重复性，它能够显著提高生产效率和质量。
三、基于系统生物学的生产优化生产过程中，影响产品质量和产量的因素很多。
传统方法常常是单一地解决问题，而不能综合考虑整个生产过程。
目前，利用系统生物学理论和方法，可以建立整个生产过程的生物数学模型，并进行生产流程优化。
例如，通过研究细胞的膜通透性和物质吞噬能力，可以优化这些特性，进一步提高生产效率。
此外，系统生物学还可以利用基因编辑技术，优化微生物株系，进一步提高产量。
四、基于人工智能的生产流程优化近年来，人工智能也进入了生物发酵工程领域。
利用机器学习和深度学习等技术，可以对生产过程的数据进行分析和处理。
通过对历史数据和实时数据进行计算，可以调整生产流程，从而实现更好的生产效率和质量。
此外，还可以利用人工智能技术进行生产排程和产品加工，进一步提升生产效率。
发酵工程课后题参考答案
发酵课后题参考答案第一章一.发酵工程技术的发展大致可分为那几个阶段？每个阶段的技术特点是什么？答：发酵工程技术大致可分为六个发展阶段分别为：1.自然发酵阶段，在这一阶段人们对微生物的性质尚未认知，只是利用自然接种方法进行发酵制品的生产。
此阶段的技术特点是多数产品属嫌气发酵，且非纯种培养，凭经验传授技术和产品的质量不稳定的特点。
2.转折阶段，这一阶段又可分为三个阶段。
第一个阶段以纯种培养和无菌操作技术为转折点，这一阶段的技术特点发酵过程避免了杂菌污染，发酵效率逐步提高，生产规模逐渐扩大，产品质量稳定提高。
第二个转折点是深层液体通气搅拌纯种培养的采用，这一阶段的技术特点是深层液体通气搅拌纯种培养技术解决了大量培养基和生产设备的灭菌以及大量无菌扛起的制备问题，，且在提取精制中采用离心萃取机，冷冻干燥器等新型高效化工设备，是生产规模，产品质量和收效稳步提高。
第三个转折点是利用代谢调控进行微生物菌种选育和发酵条件的控制，技术特点是采用遗传育种方法进行微生物人工右边，选育出某种营养缺陷株或者抗代谢类似物菌株，在控制营养条件的情况下发酵生产大量积累所预期的氨基酸。
3.发酵放大技术的进一步发展阶段，技术特点是发酵罐的容积发展到前所未有的规模，发酵时氧耗大，对发酵设备提出了新的要求，并逐步运用计算机以及自动化控制技术进行灭菌和发酵过程的PH，溶解氧等发酵参数的控制，使发酵生产向连续化，自动化前进了一大步。
4.以基因工程为中心的时代。
技术特点是定向的改变生物性状与功能，创造新物种的目的，赋予微生物细胞具有生产较高等生物细胞所产生的和化合物的能里。
扩大了微生物的范围，大大丰富了发酵产业的内容，使发酵工业发生了革命性的变化。
二.简述工业发酵的应用范围？答：发酵工业的应用范围很广，按其产品可以分为四大类：11.微生物菌体。
工业生产的微生物菌体可分为两种，一种是供制面包用的酵母，另一种是作为人类或者动物使用的微生物细胞。
2.酶制剂。
发酵过程的参数检测和自动控制
1、物理参数检测
7〕发酵液粘度测定 毛细管粘度计 回转式粘度计 涡轮旋转粘度计
2、化学参数检测
1〕PH测量 复合PH电极 〔灭菌、稳定、流通、耐压〕 PH测量仪器
2、化学参数检测
2〕溶解氧的测量 溶氧电极法： 这是一种参量变换器：把溶氧浓度变成一 个与之呈线性关系的电流量,进行测量,这种溶 氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温,可以固定装在发 酵罐上,连续地测量培养液中溶氧浓度. 亚硫酸盐氧化法 取样极普法 排气法
③自适应控制： 提取有关输入、输出信息,对模型和
参数不断进行辩识,使模型逐渐完善；同 时自动修改控制器的动作,适应实际过 程.——自适应控制系统.
2、发酵自动控制系统的硬件组成
传感器 变送器 执行机构
电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、 变速电机、
正位移泵、蠕动泵. 转换器 过程接口 监控计算机
本章知识结构
被控对象
传感器
1、基本的自 动控制系统
②反馈控制 溶解氧的串联 反馈控制
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 开关控制：控制阀门的全开全关； PID控制：采用比例、积分、微分控制算法； 串联反馈控制： 两个以上控制器对一变量实施联合控制； 前馈/反馈控制： 前馈控制与反馈控制相结合.
1、基本的自动控制系统
1〕温度测量
感温元件：铂电阻〔精、稳但贵〕；
化〕；
铜电阻〔便宜、但需长、大,易氧
线形〕.
半导体〔精、小、简、耐腐蚀但非
二次仪表：温度,0—150℃,
1、物理参数检测
2〕热量测量〔属"微热量"〕
①利用热交换原理,测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进 出口温度〔影响因素较多Q散Q显Q搅,只能定性和估计〕
发酵工程工艺原理复习思考题答案
《发酵工程工艺原理》复习思考题第一章思考题：1 ■何谓次级代谢产物？次级代谢产物主要有哪些种类？举例说明次级代谢产物在食品中的应用及对发酵食品的影响。
P50初级代谢：脂微生物的生长、分化和繁殖所必需的代谢活动而言的。
初级代谢过程所生成的产物就是初级代谢产物'坎级代谢：」是指非微生物生命活动所必须的代谢活动而言.也就是说这种代谢对微生物的生长、分化和繁殖关系不大，生理功能也不十分清楚，但可能对微生物的生存有一定价值。
次级代谢过程所生成的产物就是次级代谢产物。
通常在细胞生成的后期形成。
次级代谢产物有抗生素、生物破、色素和毒素等,2.典型的发酵过程由哪几个部分组成？发酵工程的一般过程可分为三个步骤：第一，准备阶段；第二，发酵阶段；第三，产品的分离提取阶段。
准备阶段的任务包括四个方面，即各种器具的准备.培养基的准备.优良菌种的选择或培育，器具和培养基的消毒。
优良菌种是保证发酵产品质量好、产量高的基础。
优良菌种的取得，最初是通过对自然菌体进行筛选得到的。
20世纪40年代开始使用物理的或化学的诱变剂，如紫外线、芥子气等处理菌种.进行人工诱发突变，从而迅速选育出比自然菌种更优良的菌种。
后来.又运用细胞工程和遗传工程的成果来获取菌种。
例如，使用大肠杆菌生产人类的胰岛素、生长素、干扰毒等等。
在发酵过程中.还要防止“不速之客”来打扰。
发酵工程要求纯种发酵，以保证产品质量因此，防止杂菌污染是确实保证正常生产的关键之一。
其方法是，对于这些不受欢迎的“来客”进行灭菌消毒，在进行发酵之前，对有关器械、培养基等也进行严格的消毒°第二章思考题:1.食品发酵对微生物菌种有何要求？举例说明，>能在廉价原料制成的培养基上迅速生长，并能高产和稳产所需的代谢产物。
>可在易于控制的培养条件下迅速生长和发酵，且所需的酶活性高。
>生长速度和反应速度快，发酵周期短。
>副产物尽量少，便于提纯，以保证产品纯度。
基于多尺度参数相关分析的细胞培养过程优化与放大
基于多尺度参数相关分析的细胞培养过程优化与放大庄英萍;田锡炜;张嗣良【摘要】细胞大规模培养过程是活体细胞代谢的过程,因此存在着基因、细胞、反应器多尺度相关关系.通过对生物反应过程中生理代谢特性参数检测,并分析参数的理化相关和生物相关,可以实现多尺度观察与调控.主要介绍了在生物过程优化与放大研究中,整合分析与细胞生理代谢特性相关的参数变化信息以及反应器流场特性参数变化信息,从而实现微观与宏观相结合的过程优化方法以及细胞生理和反应器流场特性相结合的过程放大策略.【期刊名称】《生物产业技术》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】7页(P49-55)【关键词】多尺度;参数相关分析;微观与宏观代谢;生理与流场特性;优化与放大【作者】庄英萍;田锡炜;张嗣良【作者单位】华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海 200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海 200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海 200237【正文语种】中文大规模细胞培养过程的对象，可以是微生物、动物、植物等各种细胞的培养过程，而通过细胞大规模培养过程可以得到细胞菌体、酶、初级或次级代谢产物、蛋白表达产物等产品，可以生产出人们所需要的医药、食品、化工、农业、能源等领域的各类用品，满足国民经济的发展需求。
尤其是在石油和煤炭资源即将耗竭之际，社会经济的主体将会从碳氢化合物（石油和煤炭）经济转变为碳水化合物（各类糖作为基础原料）经济，因此高效利用可再生资源，并解析细胞大规模培养过程中复杂生命代谢的主体——细胞生理代谢机理，最终实现细胞大规模培养过程的优化与放大、生产出低成本的各类产品已成为生物制造领域的主要研究内涵之一。
1 生物过程多尺度理论与装备细胞大规模培养的生物反应过程中，细胞生命代谢过程是一个复杂的系统过程：首先微生物菌种的基因决定了该代谢过程的基本特性，如顶头孢霉菌（Cephalosporium Acremonium）主要代谢产物是头孢菌素C，这就是基因尺度决定细胞代谢的基本特性；然而反应器的设计与操作条件差异又有可能改变细胞代谢的特性，同样是上述菌种的代谢过程，代谢调控策略（培养基配方、补料策略等）的变化，会引起最终目标产物产量的差异，这表明，细胞代谢特性除了受基因信息影响外，还会受到操作条件的影响；而反应器的不同结构会对物质传递造成很大的差异，最终也会导致代谢产物产量的差异。
生物反应器及其研究技术进展_王永红
第11卷第2期2013年3月生物加工过程Chinese Journal of Bioprocess Engineering Vol．11No．2Mar．2013doi ：10．3969/j．issn．1672－3678．2013．02．003收稿日期：2012－12－18基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA021201）；国家重大科学仪器设备开发专项项目（2012YQ150087）作者简介：王永红（1966—），女，湖南省桂阳人，教授，研究方向：生物过程工程；张嗣良（联系人），教授，E-mail ：siliangz@ecust．edu．cn 生物反应器及其研究技术进展王永红，夏建业，唐寅，杭海峰，易小萍，潘江，许建和，张嗣良（华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海200237）摘要：阐述了生物反应器设计、放大的新理念及关键技术发展，并在此基础上综述了应用于生物技术产品生产的生物反应器的主要发展趋势，包括以代谢流分析为核心的生物反应器系统、基于计算流体力学模拟技术的传统发酵罐改良、微型生物反应器、动物细胞反应器和酶反应器。
关键词：生物反应器；计算流体力学；微型生物反应器；动物细胞反应器；酶反应器中图分类号：TQ051文献标志码：A文章编号：1672－3678（2013）02－0014－10Recent advances in bioreactor and its engineeringWANG Yonghong ，XIA Jianye ，TANG Yin ，HANG Haifeng ，YI Xiaoping ，PAN Jiang ，XU Jianhe ，ZHANG Siliang（State Key Laboratory of Bioreactor Engineering ，East China University of Science and Technology ，Shanghai 200237，China ）Abstract ：The engineering methodologies and key technologies for the bioreactor design and the scale-up were discussed．The development trends in bioreactors for the production of biotechnology products were described ，including a bioreactor system focusing on metabolic flux detection and analysis ，the improved stirred-tank bioreactor based on computational fluid dynamics ，microbioreactor ，bioreactor for mammalian cell ，and enzymatic bioreactor．Key words ：bioreactors ；computational fluid dynamics ；microbioreactors ；bioreactor mammalian cell ；enzymatic bioreactors1生物技术产业发展与生物反应器随着全球社会经济快速发展，现有石油煤炭等化石资源的充分供应变得不可持续，难以支撑人类社会的高级发展目标。
固态厌氧发酵技术研发和具体实践运用-微生物论文-生物学论文
固态厌氧发酵技术研发和具体实践运用-微生物论文-生物学论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——1、前言厌氧发酵技术在温和条件下利用厌氧微生物对生物质有机组分进行分解，产物有较高肥效，尤其是同步产生大量以高热值甲烷为主要成分的沼气可燃气并具有明显降低温室气体排放的潜力，被认为且由生命周期分析证实是最适宜、最有前景的生物质能源利用技术之一。
其中，固态厌氧发酵是指一定湿度的水不溶性固态基质在没有或几乎没有自由水存在下借助一种或多种厌氧微生物的一个生物反应过程。
固态发酵与液态发酵的本质区别是以气相而非液相为连续相，具体表现在基质中游离水的多少。
因基质性质差异大，固体浓度分界点定义不一，以20%区分较典型。
相对液态厌氧发酵，固态厌氧发酵技术对原料适应性强，处理负荷大；设备投资较少、管理方便；过程能耗较低；产物后处理简单且基本无废水排放。
随着高效前处理技术、特效菌种的研发以及过程控制技术的提高，传统过程存在的原料利用率不高、固废排放量大和工业放大可行性程度不高等问题逐步被克服，其优势和潜能越来越明显。
迄今在欧洲，固态厌氧发酵处理总固废量的10%，达430万吨，超过液态发酵规模，产沼气超过167亿m3。
可见，固态厌氧发酵技术在发展中国家推广应用潜力巨大。
2、技术原理基于对厌氧发酵中微生物的研究，厌氧发酵过程理论认知分两阶段理论(即概括地分为产酸阶段和甲烷化阶段)、三阶段理论和四类群理论三个层次。
因三阶段理论和四类群理论能较为全面地解释发酵过程，目前被广泛认可，前者将两阶段理论的产酸过程分为水解发酵阶段和产氢产乙酸阶段，突出发酵阶段产氢产乙酸菌的作用，其分解近40%的挥发性脂肪酸转化成乙酸及H2；后者进一步强调同型产乙酸菌的作用，其在产酸过程中利用生成的H2还原约12%的CO2为乙酸。
工程上出于成本控制和过程调控困难等方面考虑，通常仍简单划分为生化条件差异显着的水解酸化和甲烷化两个阶段，至多使用两个反应器(水解反应器和甲烷化反应器)。
生物技术 发酵工程
发酵工程的内容
发酵罐的特点
1、为细胞代谢提供一个适宜的物理及化 学环境，使细胞能更快更好的生长 2、具有严密的结构 3、良好的液体混合性能 4、高的传质和传热速率 5、灵敏的检测和控制仪表
发酵罐的设计要求
1、节能 2、操作与控制方便 3、无菌条件好 4、尽量减少法兰连接 5、结构坚固、安全 6、防止死角、裂缝 7、易维修
法兰连接
连接就是把法兰盘放在固定在 两处管口上的一对法兰的中间， 然后用螺栓拉紧使其接合起来， 成为一种可拆卸的。这种连接 主要用于铸铁管、衬胶管、非 铁金属管和法兰阀门等的连接， 工艺设备与法兰的连接也都采 用法兰连接。法兰连接的主要 特点是拆卸方便、强度高、密 封性能好。安装法兰时要求两 个法兰保持平行、法兰的密封 面不能碰伤，并且要清理干净。
第四章
发 酵 工 程
发酵工程的定义
发酵工程（微生物工程，发酵技术）， 是指在最适发酵条件下，发酵罐中大量 培养细胞和生产代谢产物的工艺技术， 根据各种微生物的特性，在有养或无养 条件下利用生物催化（酶）的作用，将 多种低值原料转化成不同的产品的过程。
广义上的发酵工程由三部分组成： 上游工程、发酵工程和下游工程，其中上 游工程包括优良菌株的选育，最适发酵 条件（营养组成、pH、温度）的确定， 营养物的准备等；下游工程指从发酵液 中分离和纯化产品的技术
必须定期检测发酵罐内部的代谢变化
生物发酵工程面试题目(3篇)
第1篇一、面试题目1. 请简述生物发酵工程的基本概念及其在生物技术领域的重要性。
2. 解释酶工程和发酵工程之间的关系，并举例说明它们在实际应用中的区别。
3. 请阐述生物发酵过程中常见的微生物类型及其代谢特点。
4. 在生物发酵过程中，如何提高发酵效率？请列举几种提高发酵效率的方法。
5. 请简述生物发酵过程中菌种选育的重要性，以及菌种选育的常用方法。
6. 生物发酵工程在食品、医药、化工等领域有哪些应用？请举例说明。
7. 请解释生物发酵过程中，发酵罐的作用及分类。
8. 在生物发酵过程中，如何控制发酵条件？请列举几种控制发酵条件的方法。
9. 请简述生物发酵过程中，发酵液的分离与纯化的常用方法。
10. 生物发酵工程中的废弃物处理有哪些方法？请举例说明。
11. 请解释生物发酵过程中，菌种突变的原因及其对发酵过程的影响。
12. 在生物发酵过程中，如何防止发酵液污染？请列举几种防止污染的方法。
13. 请阐述生物发酵工程在节能减排方面的作用。
14. 生物发酵工程在生物制药领域的应用有哪些？请举例说明。
15. 请解释生物发酵过程中，发酵液pH值对发酵过程的影响。
16. 在生物发酵过程中，如何提高发酵液的产量和质量？请列举几种提高产量和质量的方法。
17. 请简述生物发酵工程在生物能源领域的应用。
18. 在生物发酵过程中，如何优化发酵工艺？请列举几种优化方法。
19. 请解释生物发酵过程中，发酵温度对发酵过程的影响。
20. 在生物发酵过程中，如何提高菌种抗逆性？请列举几种提高抗逆性的方法。
二、解析1. 生物发酵工程是指利用微生物的代谢活动，将生物原料转化为人类所需的生物产品的过程。
生物发酵工程在生物技术领域具有重要性，因为它为人类提供了丰富的生物产品，如食品、医药、化工原料等。
2. 酶工程和发酵工程密切相关，酶工程是发酵工程的基础。
酶工程主要研究酶的性质、制备和应用，而发酵工程则利用酶催化微生物代谢反应，实现生物产品的生产。
生物技术制药第二版课后思考题及答案（全）
生物技术制药第二版课后思考题及答案（全）1. 生物技术制药分为哪些类型？生物技术制药分为四大类：（1）应用重组DNA技术(包括基因工程技术、蛋白质工程技术)制造的基因重组多肽，蛋白质类治疗剂。
（2）基因药物，如基因治疗剂，基因疫苗，反义药物和核酶等（3）来自动物、植物和微生物的天然生物药物（4）合成与部分合成的生物药物2．生物技术制药具有什么特征？（1）分子结构复杂（2）具有种属特异性（3）治疗针对性强，疗效高（4）稳定性差（5）基因稳定性（6）免疫原性（7）体内的半衰期短（8）受体效应（9）多效性（10）检验的特殊性3.生物技术制药中有哪些应用？应用主要有：（1）基因工程制药：包括基因工程药物品种的开发，基因工程疫苗，基因工程抗体，基因诊断与基因治疗，应用基因工程技术建立新药的筛选模型，应用基因工程技术改良菌种，产生新的微生物药物，基因工程技术在改进药物生产工艺中的应用，利用转基因动植物生产蛋白质类药物（2）细胞工程制药：包括单克隆抗体，动物细胞培养，植物细胞培养生产次生代谢产物（3）酶工程制药（4）发酵工程制药4.基因工程药物制造的主要程序有哪些？基因工程药物制造的主要步骤有：目的基因的克隆，构造DNA重组体，构造工程菌，目的基因的表达，外源基因表达产物的分离纯化产品的检验5.影响目的的基因在大肠杆菌中表达的因素有哪些？（1）外源基因的计量（2）外源基因的表达效率：a、启动子的强弱b、核糖体的结合位点 c、SD序列和起始密码的间距 d、密码子组成（3）表达产物的稳定性（4）细胞的代谢付荷（5）工程菌的培养条件6.质粒不稳定分为哪两类，如何解决质粒不稳定性？质粒不稳定分为分裂分为分裂不稳定和结构不稳定。
质粒的分裂不稳定是指工程菌分裂时出现一定比例不含质粒的子代菌的现象；质粒的结构不稳定是DNA从质粒上丢失或碱基重排，缺失所致工程菌性能的改变。
提高质粒稳定性的方法如下：（1）选择合适的宿主细菌2）选择合适的载体（3）选择压力（4）分阶段控制培养（5）控制培养条件（6）固定化7.影响基因工程菌发酵的因素有哪些？如何控制发酵的各种参数？影响因素：（1）培养基（2）接种量（3）温度（4）溶解氧（5）诱导时机的影响（6）诱导表达程序（7） PH值8.什么是高密度发酵？影响高密度发酵的因素有哪些？可采取哪些方法来实现高密度发酵？高密度发酵：是指培养液中工程菌的菌体浓度在50gDCW/L以上，理论上的最高值可达200gDCW/L 影响因素：（1）培养基（2）溶氧浓度（3）PH (4)温度（5）代谢副产物实现高密度发酵的方法：（1）改进发酵条件：a、培养基 b、建立流加式培养基 c、提高供养能力（2）构建出产乙酸能力低的工程菌宿主菌：a、阻断乙酸产生的主要途径 b、对碳代谢流进行分流 c、限制进入糖酵解途径的碳代谢流d、引入血红蛋白基因（3）构建蛋白水解酶活力低的工程化宿主菌9.分离纯化常用的色谱分离方法有哪些?它们的原理是什么?方法有离子交换色谱、疏水色谱、反相色谱、亲和色谱、凝胶过滤色谱及高压液相色谱。
(简)发酵过程参数相关分析(庄英萍)
好氧生物反应器供氧情况变化引起的变化
当降低搅拌转速时，供氧速率（OTR）下降必然引起溶解氧 浓度（DO）的下降，这是一个属于生物反应器系统中的过程 传递和混和问题
d C KLa(C* C) OUR dt
如果DO下降到临界氧浓度以下时，就引起菌体呼吸强度 的减弱，这实质上是氧成为限制性基质时的动力学行为
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。
ECO2
DO
EO2
EO2 ECO2
DO
rpm
非碳源限制，临界氧浓度以下 （ＤＯ变化不显著）
rpm
h
EO2 ECO2
DO
碳源限制，临界氧浓度以下 （ＤＯ变化显著）
代谢曲线对照
常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。 ----缺乏机理性认识，有局限性。 发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。 ----强调参数各自的时序变化，缺乏数据时序 变化之间的相关分析
参数相关耦合的定义
参数耦合相关是指各种直接参数、间接参数 以及实验室手工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，这就为我们研究生物 反应器中不同尺度的数据关联分析方法提供 了线索。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2001年8月第3卷第8期中国工程科学Engineering ScienceAug 12001Vol 13No 18学术论文[收稿日期] 2001-03-05;修回日期 2001-05-19[基金项目] 国家自然科学基金资助项目(29976013)[作者简介] 张嗣良(1940-),男,浙江温州市人,华东理工大学教授,博士生导师发酵过程多水平问题及其生物反应器装置技术研究———基于过程参数相关的发酵过程优化与放大技术张嗣良(华东理工大学生物反应器国家重点实验室国家生化工程技术研究中心,上海 200237)[摘要] 回顾了发酵过程优化与放大所依据的基本思想和方法,认为采用以动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法,实质上只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的延伸,往往忽视细胞代谢流的存在。
以细胞代谢流的分析与控制为核心的生物反应工程学的观点,通过实验研究,提出了基于参数相关的发酵过程多水平问题研究的优化技术和发酵过程多参数调整的放大技术。
随着过程传感技术和计算机技术的发展,设计了一种定型为FUS 250L (A )的新概念生物反应器。
这种新型生物反应器是以物料流检测为手段,过程优化与放大为目标,成功地应用在青霉素、红霉素、金霉素、肌苷、鸟苷发酵和Pichia 酵母表达系统的基因工程人血清白蛋白(rh 2SA )、疟疾疫苗等高密度高表达培养,大幅度提高发酵水平,并直接放大到几百升,甚至100m 3以上生产规模发酵罐。
[关键词] 生物反应器;发酵;优化;放大 发酵工程是细胞大规模培养技术中最早被人们认识并发展利用的。
迄今,利用发酵技术进行包括医药、轻工、食品、农业、环保等产品生产,在国民经济中占有很大比重,可以分为以常规微生物的传统生物技术和以基因工程细胞培养的现代生物技术产业,无论对当前或今后发展均具有重要的经济和社会意义。
作者试图从工程学原理讨论发酵工程技术的发展和作者实验室的一些研究成果,以便推动以生物反应器为基本装置的细胞大规模培养技术的进步。
1 发酵工程中涉及的主要技术问题与工程学观点 为了提高发酵生产水平,人们首先考虑的是菌种选育或基因工程构建,往往忽视了生物反应器中工程问题所必须加以考虑的工艺变化和过程优化。
在得到一个高产菌株后,随后的逐级放大与优化基本上是以最佳工艺控制点为依据,采用人工经验为主的静态操作,在方法上基本以正交试验为基础。
发酵过程优化与放大始终是生化工程中一个复杂问题的二个侧面,人们从不同的角度进行研究。
随着对细胞大规模培养技术的深入研究和对以分批培养为主要对象的发酵过程参数的时变性、多样性、耦合性和不确定性的认识,建立了以过程动力学为基础的数学模型,引进了一系列现代控制理论,其中有静态和动态优化、系统识别、自适应控制、专家系统、模糊控制、神经元网络、直到各种混沌现象的研究[1～6],以实现过程优化。
这种适应发酵过程非线性特征的研究方法对细胞大规模培养技术研究的深入开展以及提高学术研究水平起到很大的推进作用。
但是,也应该看到,在实际工厂生产上仍有很大局限性,效果不明显。
从发酵过程放大来说,有人把“放大”分为两个基本问题,其一是发酵条件的研究与设计;其二是设计满足这些过程条件的反应器。
就某种意义上,第一个问题实质上是发酵过程动力学的问题,第二个是工程水平的传递和混和问题。
必须认识到,除非完全以微生物反应动力学与周围环境传递条件相结合的模型建立,否则过程放大最终还是落实到系统几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似等,具体来说有因次分析法、经验法则法、综合机理的数学模拟法以及时间常数法等放大方法[7～9]。
事实上,要同时满足这些相似条件是不可能的,于是,发酵过程放大仍旧是一个使人感到困惑的问题,从摇瓶到发酵罐的差异,甚至尽可能采用同样的操作条件,只不过发酵罐的容积从几十升放大到几十立方米,但结果往往面目全非。
作者认为造成上述问题的一个重要原因是研究发酵过程特点的基本方法是采用动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法,实质上这只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的延伸。
例如,用氨水调节p H时,关心的是最佳p H值,却不注意氨水加量的动态变化及其与其他发酵过程参数的关系。
在溶解氧浓度w DO测量与控制时,关心的是最佳值w DO或其临界值,而不注意细胞代谢时的摄氧率R OUR,以及由此所引起的一系列参数相关特性。
显而易见,用在以活细胞代谢为主体的发酵过程优化与放大时就有很大的局限性,应该重视过程中细胞代谢流的存在及其变化。
有关细胞代谢流的问题,并不是什么新发现,特别是近年来细胞代谢工程的研究结果,有关代谢流的分布、基因水平和细胞水平的代谢调控研究文献大量报导[10～13],但是一到发酵罐实际操作时,由于发酵过程酶学研究的困难,以及过程数据采集和处理的困难,发酵工艺优化研究的基本思路仍旧是寻求培养基配方和最佳的温度、p H、w DO等。
因此,在发酵过程优化时就忽视了细胞代谢流的变化;在过程放大时,除非一些特例,基本上不可能建立完全的微生物反应动力学与周围环境传递条件相结合的模型,发酵过程优化与放大仍旧是个困难的问题。
针对上述情况,作者提出了以细胞代谢流分析与控制为核心的发酵工程学的观点:1)在生物反应器中所发生的反应是在分子水平的遗传特性,细胞水平的代谢调节和工程水平的传递特性3个水平上发生的,只要某一个因素成为限制条件,就会对生产产生严重影响。
2)必须高度重视细胞代谢流分布变化的有关现象特征的获得。
以活细胞为对象的生物反应过程产物实质上是细胞代谢产物,胞内基因水平的信息流决定了细胞代谢流分布的空间与时间的基本特征,而反应器只是在环境条件和过程传递特性上,从物料和能量供应上对这一代谢流产生影响,正如Seriven①文中所述:细胞的基因属性(genotype) +环境=细胞的表性(phenotype)。
当前生物工程技术发展的特点是化学工程与生物技术的深度结合;由宏观推向微观,强调在生物技术深入发展的认识基础上,以微尺度的工程学观点研究过程特性。
3)细胞代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性,是研究上述3个水平问题并实现过程的数据优化和放大的基本观点和内容。
K onstantlinov 和Stephanopoulos[14,15]曾对生物反应器的物料及控制模块特性进行研究,图1是反应器物料流及变量控制示意图,由图可以看出细胞代谢物质流与反应器物料流之间的关系。
生物反应器(BR)是一个相对简单的物理系统,其状态可由环境变量(EVs)描述,细胞生长(CP)是复杂系统,其状态只能由生长变量(PVs)部分描述,常规控制只是对BR的操作变量(MV)和(EVs)之间实现闭环控制,被排除在闭环回路之外的CP只能通过IFB(内部反馈)间接地发生作用,有时甚至还被作为噪声来处理,由此可见常规优化控制的局限性。
作者认为必须高度重视CP的生长变化,应尽可能多地从变量(PVs)中得到有实际价值的分析,并进一步通过建立PVs、MVs与EVs三者之间的关系,从关系特征中区分不同水平问题,才能有效地实现发酵过程优化。
4)由上可知,生物过程的复杂性和高度非线性等诸多因素以及多容量过程特征,使系统具有动态性和难以予测性。
用一个线性或拟线性关系的数学摸型只能粗略地反映过程的状态,远远满足不了控制优化所需要的因子效果的响应关系。
因此,对工业规模的发酵生产工艺的优化,作者建议采用非模型的处理方法,重视发酵过程参数趋势曲线相关的研究方法,即所谓数据驱动型的方法。
根据以上观点,作者对不同规模生物反应器试验装置进行了专门设计研究,并提出了基于参数相关的发酵过程多水平问题研究的优化技术和发酵过83中国工程科学第3卷①Seriven J.Coursebook of international traiming programme in ind.biotech.Part Z,Scal2up of bioreactor,G BF G ermany,1994图1 生物反应器物料流及变量控制示意图Fig 11 Material flux and variable controlin the bioreactor程多参数调整的放大技术,对不同发酵产品进行了实验研究,取得了较满意的结果。
2 用于发酵过程数据优化与放大的装置 作者从生物反应器中物料流检测的观点出发,在实验室规模发酵罐配置了包括发酵液真实体积、高精度补料量与尾气CO 2和O 2分析仪在内的14个以上在线参数检测或控制。
设计研制成能输入实验室手工测定参数的计算机控制与数据处理系统,由此可进一步精确得到发酵过程优化与放大所必须的包括各种代谢流特征或工程特征的间接参数,如摄氧率R OUR 、二氧化碳释放率R CER 、呼吸商x RQ 、氧体积传递系数(K L a )、比生长速率(μ)等。
在装置研究的基础上,形成了商品化实验室生物反应器,定型为FUS 250L (A )[16],发酵罐体积可为50L 以上。
图2为计算机参数检测与控制系统示意图,图3为该装置的整机照片。
图2 发酵过程计算机参数检测与控制示意图Fig 12 Parameters monitoring andfermertation process图3 FUS 250L (A)实验室发酵罐Fig.3 FUS 250L (A )lab.fermentor 研制能反映细胞代谢物质流所引起的生物反应器物料流变化的相关特性的计算机软件,是研究细胞与工程水平问题并实现过程数据优化与放大的最重要内容。
作者集中力量开发了一个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的软件包,该软件包也可以通过远程通讯在异地进行数据传送和分析,定名为BlORADAR [16]。
3 不同产品的发酵过程优化与放大技术研究311 概述“八五”期间在华北制药厂以青霉素发酵为对象,通过参数相关分析,发现了发酵过程中物料平衡与不平衡问题是关键,进而发现了青霉素发酵过程中除溶氧外,发酵液的混合和传递特性所引起的溶解二氧化碳的重要影响,提出了克服措施,提高发酵单位30%以上[17]。
“九五”期间,以西安利君制药厂的红霉素发酵为对象,在多参数调整的放大技术指导下,通过工艺逐渐调整,水平提高60%以上,打破了我国红霉素发酵水平停滞不前达20多年之久的局面,进入了国际先进水平。
为内蒙古金河工程开展饲料金霉素发酵过程优化与放大研究,在FUS 250L (A )实验室发酵罐进行实验研究达到了预定目标后,直接放大到120m 3生产93第8期张嗣良:发酵过程多水平问题及其生物反应器装置技术研究 罐规模,并采用了网络数据通讯技术,实现1500km 外的远程发酵过程诊断,提高发酵水平30%以上,一个刚开车的180m 3发酵罐生产车间生产能力提高40%。