(简)发酵过程工程学研究及工艺装备新技术-(张嗣良)
以发酵过程多尺度为核心内容的发酵放大解读
以发酵过程多尺度为核心内容的发酵罐设计与操作条件研究华东理工大学，国家生化工程技术研究中心（上海）上海国强生化工程装备有限公司1、发酵过程多尺度理论及过程优化与放大为了实现微生物发酵过程优化，往往从各自研究的技术背景出发，以单一尺度去理解和分析过程特点，长期来把注意力放在菌种的筛选或基因工程菌的构建上，忽视工程问题所引起的优化问题。
此外，由于发酵过程特征数据采集的困难和过程酶学研究的困难，发酵工艺开发研究时只能采用最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，缺乏代谢流变化的实时分析。
所依据的基本思想和方法都是采用传统的生物学方法或化学工程的宏观动力学的调控方法，这对活体细胞的发酵调控来说存在很多问题，因此长期来有关发酵过程优化与放大，国内外都没有很好解决。
以华东理工大学张嗣良教授为首的国家生化工程技术研究中心（上海）提出了以活细胞为主体的细胞大规模培养的生物反应过程，可以分为基因分子尺度、细胞尺度与生物反应器尺度的网络结构，是不同尺度的网络状态关系。
认为跨尺度观察与控制是微生物过程优化的关键，由此形成了一套形成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，设计了一种用于生物过程多尺度研究的新概念发酵装置，利用该装置技术在实验室规模实现各发酵产品的过程优化研究，其优化结果一般可由几十升发酵罐直接放大到上百M3的工业生产发酵罐。
采用该项目技术原理和装置对各种发酵产品开展研究，发现了红霉素发酵生产过程中黄豆饼粉与葡萄糖作为碳源竞争性利用时对次级代谢的影响机制，使发酵水平由5000u/ml提高到8400u/ml，打破了二十多年来我国红霉素发酵水平停止不前的局面，进入了国际先进水平；金霉素发酵在实验室发酵罐取得成功后，实现了1500公里外由上海至内蒙的远程发酵过程诊断，直接放大到120M3发酵罐，达到提高发酵水平30%以上的国内领先水平；广东星湖公司的鸟苷发酵，发现了代谢流迁移，经深入研究，使发酵水平达到了国际先进水平，由17g/L提高到34g/L，在与国外产品的市场竞争中获得了成功；WHO项目由上海第二军医大学构建完成的Pichia酵母表达系统的基因工程疟疾疫苗高密度高表达由70mg/L提高到2600mg/L，达到了国际领先水平；基因工程白蛋白由700mg/L提高到7g/L。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程的特性与工业控制1
三、利用基因工程菌生产的特点
基因工程菌带有外源基因，外源基因可能在质 粒上也可能整合到染色体上，这些基因可能不稳 定。丢失外源基因的菌往往比未丢失的菌生长快 得多，这样就会大大降低产物的表达。为了抑制 基因丢失的菌的生长，一般在培养中加入选择压 力，如抗生素。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
3、低等真核细胞
酵母菌 酿酒酵母是第一个被人利用的生物， 它的最大生长速率是大肠杆菌的25%，酵母比 最大的细菌大，容易从发酵液中回收。酵母有 简单糖基化能力和分泌蛋白的能力。这些是它 的优点。但酵母达到高表达水平比大肠杆菌困 难，外源蛋白分泌到胞外也有限，现在发展了 其他的酵母如甲醇营养型酵母等。 当产生是外源蛋白需要复杂的糖基化和翻译后 修饰时，低等真核细胞就不能适应，要用动物 细胞组织培养来达到。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
4、控制比生长速率的葡萄糖流加
菌体的比生长速率与代谢产物的表达 密切相关。比生长速率太大，超过某 一值，易产生乙酸，这一比生长速率 值称为菌体的乙酸产生临界比生长速 率。通过考察得出最优比生长速率， 控制溶氧、转速、补糖来控制比生长 速率。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
3、宿主细胞突变
宿主细胞的突变也会造成生产能力的减少。 这些突变通常改变细胞调节，结果减少目标 蛋白的合成。例如，控制外源蛋白表达的启 动子，利用宿主细胞的启动子，如果宿主细 胞启动子的改变，将大大改变质粒编码蛋白 的生产水平。乳糖操纵子是常用是操纵子， 通过加入乳糖或它的结构类似物（如IPTG） 来启动表达，如果乳糖操纵子编码半乳糖苷 透酶的基因发生突变就会阻止乳糖或乳糖的 结构类似物进入细胞，从而不能启动细胞的 表达。
微生物发酵过程优化控制技术进展
微生物发酵过程优化控制技术进展1 概述传统的发酵工程过程为了快速提高发酵生产率与发酵水平，发酵过程更侧重于菌种的筛选和改造上。
随着生物科学技术的发展，基因工程与代谢工程研究领域都出现了长足的进步与发展，利用基因重组与诱发等技术可以实现高产菌株普遍生产。
但只有通过发酵过程的优化控制，才能实现产品质量最高、生产力最大、成本消耗最低的生产过程，因此对微生物发酵过程的优化控制成为发酵工程中研究人员日益关注的焦点。
微生物发酵过程的优化控制可以分为过程模型和控制策略。
发酵过程建模如机理分析建模、黑箱建模和混合建模近年来都得到了快速的发展，而优化控制策略方面的研究内容与成果有：基于线性化近似的经典优化控制、基于非线性系统理论的优化控制以及基于人工智能技术的优化控制等。
2 微生物发酵过程建模2.1 基于过程机理分析的建模发酵过程机理分析建模是利用各种生物方程以及基因尺度层面的模型，主要是根据回归的方法确定模型参数。
张嗣良等从基因与细胞特性等方面进行了发酵过程优化的研究，对模型过程与本质有了新的认识，并得到发酵工程的限制条件；研究人员对毕赤酵母的代谢过程进行了研究，建立了相关结构模型，为描述蛋白质生成提供了有效途径；还有相关的微生物发酵过程研究中，对赖氨酸进行了动态模型的建立与数据处理，实现了发酵过程仿真。
机理建模仅仅包含了生物量与产物等状态变量，但由于发酵过程的复杂性，机理建模不能充分表达微生物发酵过程，还具有很大的局限性。
2.2 黑箱建模黑箱建模是以最小二乘为基础的回归辨识为基础建立的发酵过程模型，适应性较高。
以最小二乘回归获取的过程建模，吸纳了经典控制方法的优点，技术简单易操作，具有诊断功能。
非线性函数研究广泛应用于过程建模，主要有人工神经网络（ANN）和支持向量机技术（SVM）。
2.2.1 基于人工神经网络技术建模ANN技术基于风险最小化研究被引入发酵过程，广泛应用于发酵过程建模。
ANN在线校正能力强、适用于多变量非线性问题的处理。
发酵过程优化与控制(原理部分)220页PPT
《细胞大规模培养》在生物 技术产业发展中的作用
21世纪的生物技术产业究竟是一个什么样的 格局？作为生物技术产业的核心，以微生物为 代表的过程研究，在已经开始的生物经济时代 是处于一种什么状态？能起何种作用？面临怎 样的课题? 这是人们所关注的问题！
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发酵工程的重大转折点
二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发， 青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。 ❖ 1928年由 Fleming发现青霉素 ❖ 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 ❖ 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸 培养基 ─── 40u/ml ❖ 1943年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml ❖ 当今：100m3─200m3 ─── 5-7万u/ml ❖ 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
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基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪
只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生 资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原 料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接 关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和 国家安全。
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Idealized biorefinery concept. (Image courtesy of Oak Ridge National
课程内容与参考书
▪ 内容 发酵过程优化与控制(原理部分) 发酵过程优化与控制(工艺部分) 发酵过程优化与控制(控制部分) 发酵过程优化与控制(实践部分) ▪ 参考书目
发酵过程优化原理与实践 陈坚 江南大学 多尺度微生物过程优化 张嗣良 华东理工大学 发酵过程原理 叶勤 华东理工大学
2
张嗣同-发酵工程第九章发酵过程优化与放大概论精品课程6-1
发酵工艺优化研究 的基本思路
发酵罐
单一生理调控机制，缺乏全局性的概念
测量参数及其变化的意义缺乏理解 最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的简单延伸 缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容
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研究生物过程的特点
本章提要
生物反应器过程的多尺度理论──发酵过程优化与放大基础 发酵过程优化控制中的方法和手段 发酵过程优化控制举例
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
仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pH、DO等 缺乏微观的实时的代谢调控
代谢调控研究 代谢工程研究
发酵过程酶学 研究的困难
第二部分
发酵过程优化控制中的方法和手段
数据驱动型方法
复杂性 多容量过程 高度非线性
线性或拟线性关 系的数学摸型
发酵生产完整过程
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
跨尺度观察与操作
工业规模的生物过程只能在反应器尺度上进行测量与操作 可以从低一尺度层次的规律或性质，来预测研究另一尺度层次的规律或性质 多尺度综合与各子过程的相互量化关系，澄清不同尺度间相互作用和耦合的原则和条件 跨尺度操作是难题，分析跨尺度问题往往需要纳入跨学科和跨技术的手段
方法和装备技术研究
基本方法
张嗣同 发酵工程第九章：发酵过程优化与放大概论(精品课程)6-4
0.12 0.1
工艺改进前后磷酸果糖激酶的 时序变化
0.05 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 12h 24h
Δ A/min
0.08 0.06 0.04 0.02 0 12h 24h 36h 40h t / h 44h 48h
►菌体细胞主流代谢流迁移问题是本项目过
程优51篇 出版专著、著作： •多尺度微生物过程优化，化学工业出版社
• Study on Industrial Fermentation Process
on Multi-scale and Its Optimization , Advance Biochemical Engineering/ Biotechnology , 2003 Volume（87） : Biomanufacturing 2004年3月出版
关键技术
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
关键技术
代谢流控制
工艺改进前后的酶活时序变化
Δ A/min
原工艺
新工艺
t / h 原工艺
36h
40h
44h
48h
新工艺
工艺改进前后6-磷酸葡萄糖脱氢酶 的时序变化
0.05 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 12h 24h 36h
工艺改进前后丙氨酸脱氢酶的 时序变化
我校《发酵工程》课程建设的现状及设想
我校《发酵工程》课程建设的现状及设想宫衡陈长华张嗣良(华东理工大学生物工程学院，上海 200237)摘要：1996年高等学校专业设置和课程调整后，《发酵工程》课程被列为生物工程专业核心课程, 其教学内容与设置，一直是各相关高校关注的问题。
本文介绍了华东理工大学生物工程专业《发酵工程》课程教学的现状及进一步建设的设想。
关键词：发酵工程核心课程生物工程本科教学借助于微生物进行产品开发或环境改造是发酵工程的基本内容和目标，涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题，为人类社会带来巨大经济和社会效益,因而发酵技术被誉为工业生物技术的核心。
1996年高等学校专业设置和课程调整后，《发酵工程》课程被列为生物工程专业核心课程, 其教学内容与设置，一直是各相关高校关注的问题。
本文介绍了我校《发酵工程》课程建设的现状及设想。
一、历史与现状我校《发酵工程》课程的前身是1955开设的《抗生素生产工艺学》，我国抗生素工业的开拓者马誉徵教授与俞俊棠教授呕心沥血的建设为课程打下了坚实的基础。
近年来在张嗣良教授的主持下，更是形成了一支老中青结合的、教学水平高科研能力强的、在校内外有影响的团教学团队，其中有教授6人, 副教授6人、讲师4人，其中具有博士学位的教师5人，在读博士学位的教师5。
在团队的共同努力下，发酵工程的课程建设取得了一系列新的突破。
在理论教学方面，我校发酵工程的教学长期坚持 “少而精、宽基础” 的教学理念，提炼出“一条主线、两个基础、四大案例” 课程体系框架，形成了我们学校《发酵工程》鲜明的教学特色。
实验教学方面，通过最近几年的改革，形成了基础、综合、创新三个层次的实验内容，并以此建立了一整套的实验管理体系，保证了学生实验技能的培养。
除此以外课程还以发酵工程为核心建立了以发酵工程为基础的系列课程群，课程群的开设满足了学生深入学习的要求，体现了发酵工程教学体系的先进性和完整性。
随着课程建设的深入，《发酵工程》课程网站也于0 5年5份建成，内容涵盖了课程简介、理论课与实验课的课件、相关网站的链接、习题库、网上答疑系统等方面，实现了教与学的互动，进一步提高了教学效果。
发酵微生物学书籍
发酵微生物学书籍推荐本文推荐了几本关于发酵微生物学的书籍，涵盖了不同方面的内容，包括发酵过程优化、发酵罐设备、发酵染菌防治等。
这些书籍可以帮助读者深入了解发酵微生物学的相关知识和技术。
下面是本店铺为大家精心编写的3篇《发酵微生物学书籍推荐》，供大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。
《发酵微生物学书籍推荐》篇1发酵微生物学是研究发酵过程、微生物代谢和发酵产物的一门学科，涉及到多个领域，如生物工程、生物化学、微生物学等。
以下是几本关于发酵微生物学的书籍推荐：1.《发酵工程原理与应用》这本书由华东理工大学的张嗣良教授编写，涵盖了发酵工程的各个方面，包括发酵罐设备、发酵染菌防治、发酵过程优化等。
书中还详细介绍了一些行业的案例，适合工业放大的时候参考。
2.《微生物发酵过程优化》这本书由陈坚和堵国成编著，详细介绍了发酵过程优化的技术和方法，如微生物培养环境优化、基于动力学模型的优化、分阶段优化技术等。
书中还介绍了发酵过程的一般放大原理和方法。
3.《发酵工艺与设备》这本书以发酵生产共性工艺技术为主线，主要介绍的内容包括生产菌种的选育培养、灭菌与除菌工艺及设备、厌氧发酵工艺及设备、好氧发酵工艺及设备等。
这本书适合作为微生物和发酵领域入门书籍，属于必看书籍。
4.《发酵过程检测与控制》这本书也由陈坚和堵国成编著，详细介绍了发酵过程检测与控制、发酵染菌及其防治技术以及发酵过程计算机接口技术在发酵工程中的应用。
书中还介绍了模糊逻辑推理、人工神经网络模型、代谢网络模型等新型的控制、优化、状态预测以及模式识别等方法和技术。
《发酵微生物学书籍推荐》篇2以下是几本与发酵微生物学相关的书籍推荐：1. 《发酵微生物学》作者：张嗣良这本书是非常经典的发酵微生物学教材，全面涵盖了发酵微生物学的基础知识和应用技术。
书中内容包括微生物发酵的基本原理、发酵过程的控制与优化、发酵产物的分离与纯化等方面，适合初学者和专业人士阅读。
2. 《微生物发酵过程》作者：陈坚，堵国成这本书详细介绍了微生物发酵过程的原理、技术、设备和应用，涵盖了发酵工程的全面内容。
张嗣良-发酵过程氮源利用与培养基研究
常规控制器
(MVS) SFR OTR HTR
H+FR
反应器混 和与传递
生物反应器
细胞水平的
代谢动力学
s
DO剪切
T 细胞生长
pH
Pco2
Xm (cp)
(EVs) P
(PVs) SUR OUR HER H+ CER PPR
必需高度重视代谢流 及其对反应器的影响
(IFB)
•产物与代谢流有关
• 不同层次反应的关联方法
发酵过程优化放大技术的现状与存在的问题
过程优化主要靠人工经验长期摸索───效果差周期长
➢ 提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年时间，特别是大宗发酵产品 ➢ 新产品或国外引进技术：投产进程慢，周期长
过程放大主要采用人工经验逐级放大──效果差风险大
➢ 从摇瓶到工业规模（1-几百m3）逐级放大，耗时耗财和人力 ➢ 放大指数越大风险越大（新设备、新产品）
影响发酵工程整体技术发展和在国民经济发展中的作用
➢ 整体技术：菌种、产品分离、产品质量、节能减排、先进装备技术、… ➢ 大宗发酵产品急需新技术,降低生产成本,提高市场竞争能力 ➢ 生物能源等可持续发展的战略需求已经提到议事日程
发酵过程优化的基础与应用技术研究
基础研究
•科学问题
• 发酵过程全局优化与高度分支的生命科学研究关系 • 过程放大时的生物反应器流场不均匀性对细胞生理特性的影
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5 200 -25 0
25 50 75 100 125 150 175 200
Time (h)
1、酵母粉替代比例增加，pH在20h反弹高峰下降，50h粘度高峰明显，但100h后
张嗣同_发酵工程绪论4-1
发酵现象的早期认识
1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在 1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的 1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精
─── 酶
发酵工程的早期阶段
人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于 厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发 酵食品。
发酵工程的重大转折点
二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素 的发现，迅速形成工业大规摸生产。 1928年由 Fleming发现青霉素 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ─── 40u/ml 1943年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml 当今：100m3─200m3 ─── 5-7万u/ml
→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规
模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物
第一个转折点：非食品工业 第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业 第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制
和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节, 突变株的应用 ,前体、终产物、副产物等 近代转折点：基因、动物、海洋
现代生物技术 基因工程菌发酵
基因工程药物、疫苗及抗体产品
医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
化学工程 生物化工 生物加工行业
生物工程
基因工程 细胞工程 酶工程
产品
发酵工程
产物 产品
1.2 发酵工程的发展历史
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗
菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）
控制的利用,突变株的应用,前体、终产物、副产物等
20世纪70年代
一种发酵过程优化与放大的方法与装置[发明专利]
![一种发酵过程优化与放大的方法与装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b6ef35d1376baf1ffd4fad08.png)
专利名称：一种发酵过程优化与放大的方法与装置
专利类型：发明专利
发明人：储炬,庄英萍,张嗣良,李景森,王永红,黄明志,杭海峰,黎亮
申请号：CN201510175354.4
申请日：20080911
公开号：CN104774902A
公开日：
20150715
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种对生物反应器进行过程优化和数据放大的方法，所述方法包括：(a)测定所述生物反应器装置的所述发酵过程中的生理代谢参数、生理代谢参数相关特性或其组合；其中所述生理代谢参数选自：溶氧、摄氧率、呼吸商、体积氧传递系数或其组合；(b)将步骤(a)测定的所述生理代谢参数、生理代谢参数相关特性与预定值的生理代谢参数、生理代谢参数相关特性或其组合进行比较；选出与所述预定值最为接近的生物反应器装置；确定优化的放大生物反应器装置；其中所述生理代谢参数如步骤(a)所述。
申请人：华东理工大学
地址：200237 上海市徐汇区梅陇路130号
国籍：CN
代理机构：上海专利商标事务所有限公司
代理人：韦东
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发酵工程实验教学改革探索与实践
发酵工程实验教学改革探索与实践
李友元;陈长华;宫衡;张嗣良;付水林;杨雅琴
【期刊名称】《化工高等教育》
【年(卷),期】2013(030)006
【摘要】华东理工大学国家精品课程发酵工程课程建立了“基础、综合、创新”三个层次的发酵工程实验体系.在多年的发酵工程实验教学中,我们形成了导向明确的实验设计、多层面互动的教学方法、多角度的综合评价体系和功能实用的实验教学辅助手段.本文从一线教学实践的角度予以总结,详述了发酵工程实验教学改革的具体措施和经验体会.
【总页数】5页(P27-30,38)
【作者】李友元;陈长华;宫衡;张嗣良;付水林;杨雅琴
【作者单位】华东理工大学生物工程学院,上海200237;华东理工大学生物工程学院,上海200237;华东理工大学生物工程学院,上海200237;华东理工大学生物工程学院,上海200237;华东理工大学生物工程学院,上海200237;华东理工大学生物工程学院,上海200237
【正文语种】中文
【相关文献】
1.生物发酵制药实验教学改革的探索与实践 [J], 李梦茜
2.“质量工程”背景下的发酵工程实验教学改革 [J], 张丽靖;杨郁;徐晓红
3.工科院校生物制药专业发酵工程实验教学改革的探索与实践 [J], 崔浩; 董瑶; 鲁腾辉; 杨秀东; 周鸿立
4.以提高应用能力为目标的酶工程及发酵工程实验教学改革探析 [J], 郭艾英; 蔡爱军; 齐艳玲; 秦保平
5.发酵与分离工程实验教学改革的探索与实践 [J], 倪现朴;陈光;田威;李丹;张怡轩;夏焕章
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•发酵过程是以微生物反应为核心的，有很多过程环节参
与的综合结果，整个过程贯穿着以"速率"为内容的基础研
究
•与化学工程相结合形成了生化工程
动力学与反应器工程
• 本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等工程因素
影响时的微生物反应的固有反应速率。
• 宏观动力学：但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，因此，从实用
生物反应器——典型的具有时空多尺度结构的复杂系统
反应器内的 浓度场、温 度场、速度 场分布
颗粒团 聚、气 泡聚并
颗粒聚团 内的菌体 细胞
细胞内 代谢网 络
基因DNA、 RNA网络
反应器
细胞代谢
基因水平
空间尺度
基因水平的分子尺度属于纳尺度范围，一般在10-9m 以下 细胞属于微尺度范围，在10-8-10-4m
•关键共性技术 应用基础 研究
• 方法与技术路线：多尺度参数相关、流场特性与生 理特性研究相结合的放大、13C代谢流等 • 用于研究的装备技术 • 数据处理与软件包
•发酵产品或过程
应用技术 研究
•医药与食品发酵产品 •生物基发酵产品 •生物能源发酵 •环境治理
•……
发酵过程研究的工程学理论基础
─── 为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论
生命科学发展与生物过程复杂系统
存在问题：优化与放大效果差，研究周期长 困难：缺乏全局与动态性研究 过程宏观信息 优化与放大困难
(全局与动态) ？
温度、搅拌、pH、 DO、培养基配方… 基因、转录、 表达、代谢途径
传感器
大量生物学信息 系统 动态
仅以传统的生物学方 法或化学工程方法有 很大局限性
…
基质
意义出发，人们重视一定反应器内检测到的反应速率即总反应速率及其
影响因素，这就是宏观动力学研究。
• 生物反应工程：它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应动力学和生物
反应器工程。其中反应器工程是指包括影响微生物反应宏观动力学的生
物反应器形式、结构、操作方式、物料混和传递过程特性等
─── 形成了经典的以动力学为基础的工程学概念
细胞外
细胞内
产物
发酵过程研究的工程学理论基础
─── 为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论
经典的生物过程工程学与生 物学基础
有关生物技术的学科交义
生物学 生物 生物 化学 生物 工程 技术 化学 化学 工程学 工程
基础学科：
生物学、化学、工程学
生物技术 Biotechnology 生物工程 Bioengineering
生物治理、生 物预报…
动物细胞 大规模培养
新药、抗体 疫苗、酶…
生物基 化学品
农业 …
可降解塑料、 生物乙烯、1、 3丙二醇…
微生物 药物
抗生素、维生 素、基因产品
农产品深加工、 生物农药与肥料
医药、食品领域的重要内 容和关键技术
食品
新型食品添加 剂、防腐剂、 功能食品…
发酵工程
医药、轻工食品、农业、环保、能源、…
总体思路
研究对象 内容与创新点 应用与推广
传感器、软件包、 反应器设计 代谢机制(微观) (组学、酶、代谢 谱、13C） 生理特性(宏观)
(OUR、CER、RQ)
创新点1 过程信息与 装置技术
新工艺 新装置
创新点2 过程优化
流场特性研究
（CFD、PIV）
创新点3 过程放大
红霉素 头孢菌素C 维生素B12 阿维菌素 重组植酸酶 ……
Moo-Young: Comprehensive Biotechnology 1989.
生化工程
生物学与化学工程相结合的交义学科，又被
称为生物化工
是运用化学工程的原理和方法对实验室取得
的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应 过程的一门学科
生物反应工程
其中生物反应工程是针对利用生物材料进 行产品加工时所特有的反应复杂性，通过冷态 和热态试验，并结合宏观动力学和微观动力学
微生物生长和反应过程研究
必须从基质进入细胞，胞内反应，代谢产物的胞内外分泌等全过程 进行分析 要经过1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成分，我们 不可能对这些反应进行一一定量的计算 从工程学角度研究对生长反应的影响。研究各类微生物代谢平衡的
理论、方法和实际有效的实验量化数据。例如胞内反应中分解代谢、
发酵过程优化放大技术的现状与存在的问题
过程优化主要靠人工经验长期摸索───效果差周期长
提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年时间，特别是大宗发酵产品 新产品或国外引进技术：投产进程慢，周期长
过程放大主要采用人工经验逐级放大──效果差风险大
从摇瓶到工业规模（1-几百m3）逐级放大，耗时耗财和人力 放大指数越大风险越大（新设备、新产品）
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log time
质量作用
酶浓度变化
变构控制 m-RNA控制 种群选择
进化
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
能量流、物质流、信息流
生命属性所特有的时空串联反应关系
微生物代谢流─── 网络研究的的核心问题
基因工程研究 代谢调控研究
发酵罐
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
单一生理调控机制的研究， 缺乏发酵过程全局优化
仍旧局限于寻求最佳的温度、 pH、DO和培养基配方等 缺乏微观的实时的代谢调控 效率低：10-30% 周期长：月、年 徘徊不前
优化与放大 技术现状
对于活体细胞调控来说，采用传统的生物学方法或化学工程的调控 方法，存在很大的问题，国内外都没有很好解决。
功能
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
关键共性技术与促进行业技术进步
发酵过程研究新技术
系统生物学
高通量菌种筛选
代谢流研究
转录谱
代谢谱
微观 代谢流分析
计算、发酵罐设计 验证、代谢流研究
跨尺度相关分 析和差异分析 宏观 代谢流分析
计算流体力学 研究
验证、代谢流研究 计算、发酵罐设计
)
传感系统/数据 分析系统扩展
可提供的共性关键技术
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多尺度参数相关过程优化研究技术 菌体细胞生理特性的恒化器技术研究 流场特性与生理特性研究相结合过程放 大技术 过程宏观代谢流、传感器配置与在线数 据处理技术 发酵过程计算机数据处理与控制软件包 生物反应器CFD流场特性研究 稳定性13C微观代谢流测定技术 发酵过程蛋白谱研究技术 发酵过程转录谱与基因芯片技术研究 菌种基因工程改造与系统生物学 合成生物学研究技术
研究，揭示生物反应器结构变量、操作变量和
操作模式对特定生物过程及其目标产物生成的
影响策略，从而达到反应系统强化与放大的目
的。
生化工程学形成的工业基础
二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素
的发现，迅速形成工业大规摸生产。
1928年由 Fleming发现青霉素 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ── 40u/ml
提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理论与方法（2002年） ──发酵过程研究的工程学理论基础
参数检测配置示意图
在2000年上海国际工业博览会上展出的 FUS-50L(A)发酵罐
数据处理
软 件 设 计
BlORADAR。
•在线检测参数 •实验室手工测定参数 •间接参数(代谢流特征 或工程特征) •适应多种反应器特点 •融合多种过程理论和 控制理论 •工艺分析与操作 •远程通讯与异地数据 传送和分析
合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能量平衡,生长得率系数、 产物得率系数、比生长速率、比消耗基质速率等。
─── 形成了经典的以化学计量学和热力学研究为基础的发酵 工程生物学
经典的以动力学为基础的工程学概念 经典的以化学计量学和热力学研究为基础的发酵工程生 物学
• 测量参数及其变化的意义缺乏理解 • 最佳工艺控制点为依据的静态操作方法， 只是化
───效果不明显
模型化
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 实际工厂生产
───
效果不明显
背景
过程放大
因次分析法 经验法则法 数学模拟法 时间常数法
几何相似 流体运动学相似 流体动力学相似
同时满足这些相似条件是不可能的
技术发展中面临的主要问题
发酵过程代谢途 径研究的困难
网 建立与远程诊断
建立生物过程工程实验室 形成专有计算机数据处理网络系统
发酵过程工程学研究及工艺装 备新技术
张嗣良 华东理工大学 国家生化工程技术研究中心(上海） 2011.11
工业发酵技术在国民经济发展中的作用
……
生物能源
需 求 生社 物会 技可 术持 发续 展发 展
纤维素乙醇、 生物柴油…
数千年历史 技术持续发展
工业生物技术基础 社会经济发展必须
环境保护
学工程宏观动力学概念在发酵工程上的简单延伸
缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容