发酵工程 精品课程
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
华东理工大学 ·生物工程学院
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
华东理工大学
国家生化工程技术研究中心（上海）
庄英萍
发酵过程优化与放大概论
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
? 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
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
发酵罐
单一生理调控机制，
缺乏全局性的概念
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础 背景和原理
?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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
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
?信息流、物质流和能量流，
?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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
具有“变化着的结
构”当生物反应器尺寸或操作条件变化时，发生
的结果变化 不是简单的用线性关系或平均统
计方法 所能描述的物质状态的变化。
导致过程变化的原因除了线性或动力学因
素之外，往往还发生在 系统结构性的突变。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
第二部分
发酵过程优化控制中的方法和手段
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
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
数据驱动型方法
复杂性
多容量过程
高度非线性
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
方法和装备技术研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
多参数趋势曲线相关
区分三个水平 (尺度 )问题
生物反应器的传递与混和
细胞代谢流的迁移
不同环境条件下的代谢动力学特征
基因水平的启动与表达 …
基本方法
● 基于参数相关的发酵过程多水平 (尺度 )问题研
究的优化技术
● 发酵过程多参数调整的放大技术
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
物料流检测
用于发酵过程数据优化与
放大的专用装置
以生物反应器中 的观点，在实验室规模
发酵罐，具有十四个以上发酵过程在线参数检测或控
制。
在原理上与现有国内外生物反应器有重大区别。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
专门用于发酵过程优化与放大
研究用的 FUS-50L(A)发酵罐
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
软
件
设
计
数据处理
功能
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
关键技术
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
计算机控制与数据处理软件包
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
代谢曲线对照
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
发酵过程的参数相关分析
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
参数曲线相关分析的优势
?从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲线相
关有可能是某一尺度的线性或动力学行为，也可能是
多尺度系统的结构性突变，因此用常规的单一尺度模
式有时就无法解释过程中发生的许多现象。
?虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作量，
但可以通过进一步分析，得到反映分子、细胞和反应
器工程水平的不同尺度问题的联系，从而实现跨尺度
观察和跨尺度操作。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
发酵过程参数检测的意义
?可以得到反应细胞尺度、分子尺度和工程尺度的反应特
性，并通过分析而加以区分不同尺度的问题；
?可以了解发酵过程各参数之间的多样性、时变形、相关
耦合性和不确定性，了解复杂的发酵过程
?通过参数的检测，可进一步优化发酵工艺，最终提高产
品的生产产量。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
参数相关基本特性
各种直接参数、间接参数以及手工测定的
实验室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
相关反映了发酵过程 多尺度（水平）的问
题 特征 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
发酵过程检测参数的特性
?所检测到的参数均是动态平衡的结果
? 检测参数 = 供给 — 消耗
?残留基质浓度对代谢的影响
?限制性基质的概念
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
发酵过程参数相关分类
?理化相关
纯属物质理化性质变化所引起的
参数相关
?生物相关
生物相关是指通过生物细胞的生
命活动所引起的参数之间耦合相关
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
转速 ↑,气泡 ↑，气液接触表面积 ↑,KLa↑,OTR〉 OUR,DO↑
理化相关
搅拌转速、通气流量、罐压力 ∽ 溶解氧 DO
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
理化相关的普遍特性
?理化相关对不同细胞对象具有普遍性，不因细胞生理
活性的变化呈现不同的特性。
? 要注意过程数据采集的非同步性引起的误相关，
特别要注意间接参数的变化产生的对过程研究的误导 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
生物相关
? 生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间
耦合相关，主要体现在二种方式：
? 其一，通过生物细胞生长代谢后引起的培养液物性的变化，
进而引起的参数相关。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
菌体生长引起的生物相关特性
?快速生长期时，培养液粘度上升,KLa下降，引起
DO水平的变化。
?培养液粘度的变化也会引起溶解二氧化碳 CO2与排气
二氧化碳浓度 ECO2的差异。
?轴向流桨叶所持留的微气泡与快速增长的菌体形成气
溶胶现象，结构性粘度严重影响培养液的混和、传递
特性。
?搅拌转速 ∽ ｐＨ
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
代谢引起的生物相关
通过生物细胞及代谢途径的不同所引起的活性变化,直
接对控制对象特性发生影响。
菌体细胞代谢活性变化而直接引起的某测定参数的
变化，即为代谢特性参数相关。
----代谢强度的变化
----代谢途径的变化
----引起的基质消耗或代谢产物形成的不同
代谢活性变化：环境条件的线性或动力学因素、
细胞内某调节因子引起的代谢流迁移、基因水平的信息
流。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
rpm
DO
ECO2
EO2
加糖 加糖
ECO2
ECO2
ECO2
EO2
EO2
EO2
DO
DODO
rpm
rpmrpm
h h
h h
非碳源限制，临界氧浓度以下
（ＤＯ变化不显著）
碳源限制，临界氧浓度以下
（ＤＯ变化显著）
非碳源限制，临界氧浓度以上
（ EO2变化不显著）
碳源限制，临界氧浓度以上
（ EO2变化显著）
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
补糖与氮源的利用关系
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
OUR
DO
rpm
加糖
DO和 OUR之间的动力学特征O2消耗与过程传递的物质平衡
时间 (h)
生物相关,OUR与 DO的基本相关特征
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
呼吸商 (RQ)变化的生物学意义
?表征不同的代谢途径
厌氧代谢、耗氧代谢
不同的耗氧代谢途径间的差异
?表征不同的基质利用情况
基质还原性强与弱的差异
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
多基质利用的参数相关变化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
某抗生素发酵的糖与油利用转移
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
DO
OUR
CLC
Rpm ↓ DO ↓
当ＤＯ低于临界氧
浓度（Ｃ Ｌ ｃ )时，ＯＵ
Ｒ下降，细胞代谢由好
氧向厌氧途径迁移。
分子水平
基因工程血红蛋白 hemoglobin (VHB)
对氧的亲和力提高（由图所示），临界氧下降 。
VHB
不同尺度问题相关的举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
第三部分
发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
鸟苷发酵过程优化与多尺度研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例 项目背景
鸟苷是呈味核苷酸二钠,I+G”的重要
原料，
七十年代上海工业微生物研究所开始研
究
发酵水平,7克 /升 12克 /升
没有形成产业
广东星湖公司从工微所购买上述菌株，
经过多年研究开发：
发酵水平,12克 /升 16克 /升
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
项目背景
2000年 I+G 产品首次独家面市，遇到日本冲击，同年 9月投资 2,1
亿的新开发厂区全面停产。 16g/L──> 25g/L （盈亏持平）
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例 参数相关分析与状态方程建立
通过鸟苷发酵过程的数据采集发现：
40小时 OUR下降，补糖速率不变，
鸟苷产率迅速下降 ── 代谢流迁移
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
生物反应器：测量观察值
多尺度：细胞代谢流
状态方程建立与系统识别
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
17 种氨基酸的时序变
化
纸层析分析
有机酸的积累实测结果,代谢流分析
35小时：丙酮酸、丙氨酸积
累
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
磷酸果糖激酶 磷酸葡萄糖脱氢酶
丙酮酸激酶
柠檬酸合成酶丙氨酸脱氢酶
代谢途径迁移的酶学测试
─── HMP途经 → EMP途经
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
代谢网络的代谢反应式 代谢方程组
在线检测通气流量、发酵液体积、排气氧和二氧
化碳浓度
离线常规分析菌体、葡萄糖和产物浓度
HPLC测定乙酸、柠檬酸和丙酮酸等有机酸浓度
HPLC测定丙氨酸等 17种氨基酸浓度
化学计量学方法的代谢流研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
不同时间代谢流分布 HMP
EMP
丙氨酸
代谢流,HMP→EMP→丙氨酸 关键技术
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
生理特性的状态估计
菌体形态变化
菌体生理形态变异与代谢流迁移的相关性
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
图像采集与处理
弯度大于
0.5
弯度大于 1.0
菌体变异的定量分析与研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
鸟苷生产菌中嘌呤核苷合成途径三段
基因序列的分析
嘌呤核苷生物合成与对应的基因操纵子
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
对编码肌苷鸟苷生物合成途径中关键酶的基因进行研
究：
? pur操纵子的启动子部分序列 （ pur操纵子包含嘌呤生物
合成途径中有关的 12个基因 ）
? purA基因 （ 编码 AMP支路的 sAMP合成酶 ）
? guaA基因 （ 编码 GMP支路的 GMP合成酶 ）
? guaB基因 （ 编码 GMP支路的 IMP脱氢酶 ）
根据 Genebank中已公布的枯草杆菌基因组序列, 针对
所要研究的四段序列, 设计适当的引物合成基因 。
生产菌的遗传背景研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
Genebank
关键技术分别从下列四个菌株中用 PCR拉出
上述序列：
野生型枯草杆菌 （ 160）
低产型肌苷生产菌 7191（ 161）
目前肌苷生产菌 （ 162）
目前鸟苷生产菌 （ 163）
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
关键技术
肌苷和鸟苷生产菌在 54位（以翻译起始点为 1计）
缺失了一个 A，因此将导致以下的所有 序列 发生移
码突变，所编码的 sAMP合成酶失活,致使 AMP合成
支路受阻，有利于肌苷和鸟苷的积累。这可能是导
致生产菌株产苷水平升高的一个重要原因。
研究结果
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
关键技术
结 论
从鸟苷生产菌的基因比较研究结果，本课题的鸟苷生产
菌株 已具有高产菌的基因结构,而发酵过程中菌体细胞
的 主流代谢流的迁移是提高生产能力的主要矛盾 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
关键技术
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
跨尺度分析与工艺改进
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
关键技术代谢流控制
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
工艺改进前后葡萄糖激酶时序变
化
0
0, 0 2
0, 0 4
0, 0 6
0, 0 8
0, 1
0, 1 2
1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 0 h 4 4 h 4 8 h
t / h
Δ
A/min
原 工 艺 新 工 艺
工艺改进前后磷酸果糖激酶的
时序变化
0
0, 0 0 5
0, 0 1
0, 0 1 5
0, 0 2
0, 0 2 5
0, 0 3
0, 0 3 5
0, 0 4
0, 0 4 5
0, 0 5
1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 0 h 4 4 h 4 8 h
t / h
Δ
A/min
原 工 艺 新 工 艺
工艺改进前后 6 - 磷酸葡萄糖脱氢酶
的时序变化
0
0, 0 0 5
0, 0 1
0, 0 1 5
0, 0 2
0, 0 2 5
0, 0 3
0, 0 3 5
0, 0 4
0, 0 4 5
0, 0 5
1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 0 h 4 4 h 4 8 h
t / h
Δ
A/min
原 工 艺 新 工 艺
工艺改进前后丙氨酸脱氢酶的
时序变化
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 0 h 4 4 h 4 8 h
t / h
酶活力
原 工 艺 新 工 艺
工艺改进前后的酶活时序变化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
HMP EMP
HPM/EMP 丙氨酸
工艺改进前后的代谢流时序变化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
关键技术
? 创建了全新的补料控制工艺
50L发酵罐：
17.2克 /L →32 克 /L(60小时 )
? 菌体细胞主流代谢流迁移问题是本项目过程优化的关键。
结 果
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
? 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
文章、著作发表
发表论文,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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
50L实验室,700mg/L----7g/L，放大到 500L
基因工程人血清白蛋白 (rh-SA)趋势曲线图
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
基因工程疟疾疫苗高密度高表达
70mg/L→2.6g/L70mg/L--?2.6g/L
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
华蒙金河生物技术有限公司的生产车间现场（ 50L放大
到 120M3），从 2000年 9月至 2001年 3月间，饲料金霉素
发酵从 16000u/ml提高到 21000u/ml，新增利润 1176万元
，新增创汇 883万元。
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
远程通讯与异地数据传送与分析
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例 推广应用
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
0-8小时, OUR,CER,DO,pH,RQ,F ── 不同水平
8.9小时, OUR与 CER继续上升呈分枝态； pH迅速上升 RQ呈低谷状
── 非葡萄糖碳源利用； 25小时前, 必需限制补加
葡萄糖速率 (RGLU)
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
?ù ò? ?? ?o ( S c i e n c e,2 00 1,29 3( 55 30 ), 61 4 )
?? o? ?ì ó| ( s tr i n ge n t r e s p on s e )
óóóóó±·óóóóó ?¤?¤
?? ?? RN A ?ú °? áú ?y ?? ￡?
( p) pp Gp p 3á ?? ′ˉ ±í 2? ·? ±é
( p) pp G pp ·? ±é àμ ￠? ￡¨?? o? ?ì ó| ò? 3ó ￡?
pp G pp p pp G pp ?? éú ?× ?ú ?? 2? ?ˉ
D N A
m R N A
·? ì? ì?
?? ?× t R N A
( °±?ù ?á è±2| )
5 ’
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
?? ′? ±y 2? 3á 3÷? × ?ú ??
? 9 ?? 25 D? ê±￡? ±y 3÷3 a ?2 ía í? ê±3÷ ?a ?÷ò a ì1 ?2 ê? óà
? D? ±é °±?ù ?á 3è óa ?? è±2| ê±3á ?? o? ?ì ó| ￡? ?ú 2- ò?
?? ?o é? o? D 3÷? × ￡? ?? ′ˉ 2? 1′ 2ú D?
? ?? ′? ±y 2? ?? óà ê±1? ?￠ ó? ?? ?? ì1 ?2 3á ?· ?ù D? ?? óà
ì× 3? ?￠ °? ?? °? ?? ?￠ p H ?× ?? ?￠ D O ?× ?? 3è ó| 2ó
èy μ? ?? ?o é? o? D 3? ·? ?1 ??
5000 u / m l ?¤?¤?¤ > 8200u / m l
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
为
多
家
企
业
的
生
物
技
术
产
业
发
展
做
出
贡
献
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
国强公司在华理科技园的新厂区 生化反应器装置
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
企业 产品 原产量 优化后产量 放大规模
内蒙金河实业 金霉素 16000u/ml 21000u/ml 50L— 120M3
浙江海正药业 阿维菌素 1500u/ml 2500u/ml 80M3
湖南中湘康神 红霉素 5000u/ml 6000u/ml 50L-- 50 M3
肇庆星湖生物 肌苷 20g/L 40g/L 50L— 60M3
肇庆星湖生物 鸟苷 16g/L 34 g/L 50L— 100M3
西安恒通药业 泰乐菌素 7000u/ml 10000 u/ml 50L— 120M3
山东胜利股份 海南霉素 1500 u/ml 3000 u/ml 50L— 50M3
华药华胜制药 链霉素 2.4万 u/ml 2.7万 u/ml 50L— 50M3
江西东风药业 青霉素 4.5万 u/ml 5.5万 u/ml 50L— 50M3
在多个传统生物技术产品中取得突破
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
企业 产品 原产量 优化后产量 放大规模
永业农科 基因工程 800FTU/ml 2500 FTU/ml 50L— 10M3
植酸酶
英国 GMX公司 PIP 0.3g/L 2.1g/L 500L
医科院 毕特螺旋霉素 1000u/ml 2500u/ml 30L
二军医大 疟疾疫苗 70mg/L 2.3g/L 50L
上海凯曼生物 Apo-AI 4.5 g/L 50L
-milano
在多个现代生物技术产品中取得突破
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
研究成果获科技进步奖
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
华东理工大学 ·生物工程学院
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
华东理工大学
国家生化工程技术研究中心（上海）
庄英萍
发酵过程优化与放大概论
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
? 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
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
发酵罐
单一生理调控机制，
缺乏全局性的概念
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础 背景和原理
?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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
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
?信息流、物质流和能量流，
?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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
具有“变化着的结
构”当生物反应器尺寸或操作条件变化时，发生
的结果变化 不是简单的用线性关系或平均统
计方法 所能描述的物质状态的变化。
导致过程变化的原因除了线性或动力学因
素之外，往往还发生在 系统结构性的突变。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?生物反应器过程的多尺度理论 —— 发酵过程优化
与方法基础
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
第二部分
发酵过程优化控制中的方法和手段
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
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
数据驱动型方法
复杂性
多容量过程
高度非线性
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
方法和装备技术研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
多参数趋势曲线相关
区分三个水平 (尺度 )问题
生物反应器的传递与混和
细胞代谢流的迁移
不同环境条件下的代谢动力学特征
基因水平的启动与表达 …
基本方法
● 基于参数相关的发酵过程多水平 (尺度 )问题研
究的优化技术
● 发酵过程多参数调整的放大技术
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
物料流检测
用于发酵过程数据优化与
放大的专用装置
以生物反应器中 的观点，在实验室规模
发酵罐，具有十四个以上发酵过程在线参数检测或控
制。
在原理上与现有国内外生物反应器有重大区别。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
专门用于发酵过程优化与放大
研究用的 FUS-50L(A)发酵罐
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
软
件
设
计
数据处理
功能
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
关键技术
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
计算机控制与数据处理软件包
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
代谢曲线对照
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
发酵过程的参数相关分析
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
参数曲线相关分析的优势
?从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲线相
关有可能是某一尺度的线性或动力学行为，也可能是
多尺度系统的结构性突变，因此用常规的单一尺度模
式有时就无法解释过程中发生的许多现象。
?虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作量，
但可以通过进一步分析，得到反映分子、细胞和反应
器工程水平的不同尺度问题的联系，从而实现跨尺度
观察和跨尺度操作。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
发酵过程参数检测的意义
?可以得到反应细胞尺度、分子尺度和工程尺度的反应特
性，并通过分析而加以区分不同尺度的问题；
?可以了解发酵过程各参数之间的多样性、时变形、相关
耦合性和不确定性，了解复杂的发酵过程
?通过参数的检测，可进一步优化发酵工艺，最终提高产
品的生产产量。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
参数相关基本特性
各种直接参数、间接参数以及手工测定的
实验室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
相关反映了发酵过程 多尺度（水平）的问
题 特征 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
发酵过程检测参数的特性
?所检测到的参数均是动态平衡的结果
? 检测参数 = 供给 — 消耗
?残留基质浓度对代谢的影响
?限制性基质的概念
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
发酵过程参数相关分类
?理化相关
纯属物质理化性质变化所引起的
参数相关
?生物相关
生物相关是指通过生物细胞的生
命活动所引起的参数之间耦合相关
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
转速 ↑,气泡 ↑，气液接触表面积 ↑,KLa↑,OTR〉 OUR,DO↑
理化相关
搅拌转速、通气流量、罐压力 ∽ 溶解氧 DO
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
理化相关的普遍特性
?理化相关对不同细胞对象具有普遍性，不因细胞生理
活性的变化呈现不同的特性。
? 要注意过程数据采集的非同步性引起的误相关，
特别要注意间接参数的变化产生的对过程研究的误导 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
生物相关
? 生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间
耦合相关，主要体现在二种方式：
? 其一，通过生物细胞生长代谢后引起的培养液物性的变化，
进而引起的参数相关。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
菌体生长引起的生物相关特性
?快速生长期时，培养液粘度上升,KLa下降，引起
DO水平的变化。
?培养液粘度的变化也会引起溶解二氧化碳 CO2与排气
二氧化碳浓度 ECO2的差异。
?轴向流桨叶所持留的微气泡与快速增长的菌体形成气
溶胶现象，结构性粘度严重影响培养液的混和、传递
特性。
?搅拌转速 ∽ ｐＨ
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
代谢引起的生物相关
通过生物细胞及代谢途径的不同所引起的活性变化,直
接对控制对象特性发生影响。
菌体细胞代谢活性变化而直接引起的某测定参数的
变化，即为代谢特性参数相关。
----代谢强度的变化
----代谢途径的变化
----引起的基质消耗或代谢产物形成的不同
代谢活性变化：环境条件的线性或动力学因素、
细胞内某调节因子引起的代谢流迁移、基因水平的信息
流。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
rpm
DO
ECO2
EO2
加糖 加糖
ECO2
ECO2
ECO2
EO2
EO2
EO2
DO
DODO
rpm
rpmrpm
h h
h h
非碳源限制，临界氧浓度以下
（ＤＯ变化不显著）
碳源限制，临界氧浓度以下
（ＤＯ变化显著）
非碳源限制，临界氧浓度以上
（ EO2变化不显著）
碳源限制，临界氧浓度以上
（ EO2变化显著）
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
补糖与氮源的利用关系
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
OUR
DO
rpm
加糖
DO和 OUR之间的动力学特征O2消耗与过程传递的物质平衡
时间 (h)
生物相关,OUR与 DO的基本相关特征
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
呼吸商 (RQ)变化的生物学意义
?表征不同的代谢途径
厌氧代谢、耗氧代谢
不同的耗氧代谢途径间的差异
?表征不同的基质利用情况
基质还原性强与弱的差异
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
多基质利用的参数相关变化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
某抗生素发酵的糖与油利用转移
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制中的方法和手段
DO
OUR
CLC
Rpm ↓ DO ↓
当ＤＯ低于临界氧
浓度（Ｃ Ｌ ｃ )时，ＯＵ
Ｒ下降，细胞代谢由好
氧向厌氧途径迁移。
分子水平
基因工程血红蛋白 hemoglobin (VHB)
对氧的亲和力提高（由图所示），临界氧下降 。
VHB
不同尺度问题相关的举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
第三部分
发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
鸟苷发酵过程优化与多尺度研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例 项目背景
鸟苷是呈味核苷酸二钠,I+G”的重要
原料，
七十年代上海工业微生物研究所开始研
究
发酵水平,7克 /升 12克 /升
没有形成产业
广东星湖公司从工微所购买上述菌株，
经过多年研究开发：
发酵水平,12克 /升 16克 /升
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
项目背景
2000年 I+G 产品首次独家面市，遇到日本冲击，同年 9月投资 2,1
亿的新开发厂区全面停产。 16g/L──> 25g/L （盈亏持平）
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例 参数相关分析与状态方程建立
通过鸟苷发酵过程的数据采集发现：
40小时 OUR下降，补糖速率不变，
鸟苷产率迅速下降 ── 代谢流迁移
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
生物反应器：测量观察值
多尺度：细胞代谢流
状态方程建立与系统识别
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
17 种氨基酸的时序变
化
纸层析分析
有机酸的积累实测结果,代谢流分析
35小时：丙酮酸、丙氨酸积
累
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
磷酸果糖激酶 磷酸葡萄糖脱氢酶
丙酮酸激酶
柠檬酸合成酶丙氨酸脱氢酶
代谢途径迁移的酶学测试
─── HMP途经 → EMP途经
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
代谢网络的代谢反应式 代谢方程组
在线检测通气流量、发酵液体积、排气氧和二氧
化碳浓度
离线常规分析菌体、葡萄糖和产物浓度
HPLC测定乙酸、柠檬酸和丙酮酸等有机酸浓度
HPLC测定丙氨酸等 17种氨基酸浓度
化学计量学方法的代谢流研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
不同时间代谢流分布 HMP
EMP
丙氨酸
代谢流,HMP→EMP→丙氨酸 关键技术
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
生理特性的状态估计
菌体形态变化
菌体生理形态变异与代谢流迁移的相关性
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
图像采集与处理
弯度大于
0.5
弯度大于 1.0
菌体变异的定量分析与研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
鸟苷生产菌中嘌呤核苷合成途径三段
基因序列的分析
嘌呤核苷生物合成与对应的基因操纵子
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
对编码肌苷鸟苷生物合成途径中关键酶的基因进行研
究：
? pur操纵子的启动子部分序列 （ pur操纵子包含嘌呤生物
合成途径中有关的 12个基因 ）
? purA基因 （ 编码 AMP支路的 sAMP合成酶 ）
? guaA基因 （ 编码 GMP支路的 GMP合成酶 ）
? guaB基因 （ 编码 GMP支路的 IMP脱氢酶 ）
根据 Genebank中已公布的枯草杆菌基因组序列, 针对
所要研究的四段序列, 设计适当的引物合成基因 。
生产菌的遗传背景研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
Genebank
关键技术分别从下列四个菌株中用 PCR拉出
上述序列：
野生型枯草杆菌 （ 160）
低产型肌苷生产菌 7191（ 161）
目前肌苷生产菌 （ 162）
目前鸟苷生产菌 （ 163）
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
关键技术
肌苷和鸟苷生产菌在 54位（以翻译起始点为 1计）
缺失了一个 A，因此将导致以下的所有 序列 发生移
码突变，所编码的 sAMP合成酶失活,致使 AMP合成
支路受阻，有利于肌苷和鸟苷的积累。这可能是导
致生产菌株产苷水平升高的一个重要原因。
研究结果
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
关键技术
结 论
从鸟苷生产菌的基因比较研究结果，本课题的鸟苷生产
菌株 已具有高产菌的基因结构,而发酵过程中菌体细胞
的 主流代谢流的迁移是提高生产能力的主要矛盾 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
关键技术
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
跨尺度分析与工艺改进
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
关键技术代谢流控制
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
工艺改进前后葡萄糖激酶时序变
化
0
0, 0 2
0, 0 4
0, 0 6
0, 0 8
0, 1
0, 1 2
1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 0 h 4 4 h 4 8 h
t / h
Δ
A/min
原 工 艺 新 工 艺
工艺改进前后磷酸果糖激酶的
时序变化
0
0, 0 0 5
0, 0 1
0, 0 1 5
0, 0 2
0, 0 2 5
0, 0 3
0, 0 3 5
0, 0 4
0, 0 4 5
0, 0 5
1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 0 h 4 4 h 4 8 h
t / h
Δ
A/min
原 工 艺 新 工 艺
工艺改进前后 6 - 磷酸葡萄糖脱氢酶
的时序变化
0
0, 0 0 5
0, 0 1
0, 0 1 5
0, 0 2
0, 0 2 5
0, 0 3
0, 0 3 5
0, 0 4
0, 0 4 5
0, 0 5
1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 0 h 4 4 h 4 8 h
t / h
Δ
A/min
原 工 艺 新 工 艺
工艺改进前后丙氨酸脱氢酶的
时序变化
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 4
1 2 h 2 4 h 3 6 h 4 0 h 4 4 h 4 8 h
t / h
酶活力
原 工 艺 新 工 艺
工艺改进前后的酶活时序变化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
HMP EMP
HPM/EMP 丙氨酸
工艺改进前后的代谢流时序变化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
关键技术
? 创建了全新的补料控制工艺
50L发酵罐：
17.2克 /L →32 克 /L(60小时 )
? 菌体细胞主流代谢流迁移问题是本项目过程优化的关键。
结 果
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
? 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
文章、著作发表
发表论文,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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
50L实验室,700mg/L----7g/L，放大到 500L
基因工程人血清白蛋白 (rh-SA)趋势曲线图
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
基因工程疟疾疫苗高密度高表达
70mg/L→2.6g/L70mg/L--?2.6g/L
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
华蒙金河生物技术有限公司的生产车间现场（ 50L放大
到 120M3），从 2000年 9月至 2001年 3月间，饲料金霉素
发酵从 16000u/ml提高到 21000u/ml，新增利润 1176万元
，新增创汇 883万元。
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
远程通讯与异地数据传送与分析
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例 推广应用
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
0-8小时, OUR,CER,DO,pH,RQ,F ── 不同水平
8.9小时, OUR与 CER继续上升呈分枝态； pH迅速上升 RQ呈低谷状
── 非葡萄糖碳源利用； 25小时前, 必需限制补加
葡萄糖速率 (RGLU)
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
?ù ò? ?? ?o ( S c i e n c e,2 00 1,29 3( 55 30 ), 61 4 )
?? o? ?ì ó| ( s tr i n ge n t r e s p on s e )
óóóóó±·óóóóó ?¤?¤
?? ?? RN A ?ú °? áú ?y ?? ￡?
( p) pp Gp p 3á ?? ′ˉ ±í 2? ·? ±é
( p) pp G pp ·? ±é àμ ￠? ￡¨?? o? ?ì ó| ò? 3ó ￡?
pp G pp p pp G pp ?? éú ?× ?ú ?? 2? ?ˉ
D N A
m R N A
·? ì? ì?
?? ?× t R N A
( °±?ù ?á è±2| )
5 ’
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
?? ′? ±y 2? 3á 3÷? × ?ú ??
? 9 ?? 25 D? ê±￡? ±y 3÷3 a ?2 ía í? ê±3÷ ?a ?÷ò a ì1 ?2 ê? óà
? D? ±é °±?ù ?á 3è óa ?? è±2| ê±3á ?? o? ?ì ó| ￡? ?ú 2- ò?
?? ?o é? o? D 3÷? × ￡? ?? ′ˉ 2? 1′ 2ú D?
? ?? ′? ±y 2? ?? óà ê±1? ?￠ ó? ?? ?? ì1 ?2 3á ?· ?ù D? ?? óà
ì× 3? ?￠ °? ?? °? ?? ?￠ p H ?× ?? ?￠ D O ?× ?? 3è ó| 2ó
èy μ? ?? ?o é? o? D 3? ·? ?1 ??
5000 u / m l ?¤?¤?¤ > 8200u / m l
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
为
多
家
企
业
的
生
物
技
术
产
业
发
展
做
出
贡
献
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
国强公司在华理科技园的新厂区 生化反应器装置
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
企业 产品 原产量 优化后产量 放大规模
内蒙金河实业 金霉素 16000u/ml 21000u/ml 50L— 120M3
浙江海正药业 阿维菌素 1500u/ml 2500u/ml 80M3
湖南中湘康神 红霉素 5000u/ml 6000u/ml 50L-- 50 M3
肇庆星湖生物 肌苷 20g/L 40g/L 50L— 60M3
肇庆星湖生物 鸟苷 16g/L 34 g/L 50L— 100M3
西安恒通药业 泰乐菌素 7000u/ml 10000 u/ml 50L— 120M3
山东胜利股份 海南霉素 1500 u/ml 3000 u/ml 50L— 50M3
华药华胜制药 链霉素 2.4万 u/ml 2.7万 u/ml 50L— 50M3
江西东风药业 青霉素 4.5万 u/ml 5.5万 u/ml 50L— 50M3
在多个传统生物技术产品中取得突破
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
企业 产品 原产量 优化后产量 放大规模
永业农科 基因工程 800FTU/ml 2500 FTU/ml 50L— 10M3
植酸酶
英国 GMX公司 PIP 0.3g/L 2.1g/L 500L
医科院 毕特螺旋霉素 1000u/ml 2500u/ml 30L
二军医大 疟疾疫苗 70mg/L 2.3g/L 50L
上海凯曼生物 Apo-AI 4.5 g/L 50L
-milano
在多个现代生物技术产品中取得突破
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
发酵过程优化与放大概论
?发酵过程优化控制举例
研究成果获科技进步奖
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
