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
,发酵工程技术展望,
,发酵工程技术展望,
张嗣良
国家生化工程技术研究中心（上海）
2005.2
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
一、商品化生物反应器
二、生物过程工程理论的发展
三、过程生物技术的进展
四、基于信息处理的生物过程检测与控制
内容
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
一、商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
1.生物反应器产业的产品特点
2.发酵过程传感、计算机与控制技术
3.过程放大技术的应用
4.装备制造与设计技术的进步
5.一些重要的生物反应器产品
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
产值不大作用大：支撑技术
产品多样性：不同细胞、不同工艺、不同规模
生物过程优化与放大技术：活细胞
生物技术发展要求性能更高的生物反应器
产品型号更新换代与部件技术研究：综合技术
产品生产的标准化、规范化,技术难度大
高品质的售后技术支持：过程优化与放大
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
? 传感器, DO,pH,排气成份分析系统, 培养液成分, 细胞
状态 ……, 其他常用热工传感器, ……
? 计算机控制系统, 单片智能, 工控机, pLC, 现场总线,
DCS ……
? 执行器件, 各式手动与自动阀门, 特殊阀门, 杯式补料系统
? 参数自动控制回路
温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制 pH调节（手
控或自控）； DO与转速、通气流量程序串级调节 ……
2.发酵过程传感、计算机与控制技术
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
嵌入式单片计算机系统
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
生产车间计算机控制室
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
杯式补料系统
执行器件
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
温度传感器、耐高温 pH和溶氧（ DO）传感器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
通气质量流量计
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
▲ 压 力 传 感 器
▼ 电 子 秤
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
新传感技术
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
蠕动泵补料测量与控制系统
控制系统：流速调整幅度大 (从 0.1ml/h-5L/h)，可变速蠕
动泵，占空比可调整的开关控制。
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
全罐电子秤称重系统
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
新传感技术 `
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
数字式尾气氧和二氧化碳分析仪
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
发酵车间安装的质谱仪
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
流动注射分析系统 (FIA)
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
在线 HPLC
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
用于过程分析的在线红外分析仪
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
Theory of Dielectrics -
The Basics of Dielectric Theory
two outer pins produce a
radiofrequency electric field
two inner pins measure
the voltage.
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
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
数学模型
现代控制理论的应用
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
几何相似
流体运动学相似
流体动力学相似
因次分析法
经验法则法
数学模拟法
时间常数法
3.过程放大技术的应用
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
计算流体力学
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
4.装备制造与设计技术的进步
? 标准化、规范化
? IS09001管理，提供合符用户要求及质量稳定的产品；
? 制造过程：如材料、焊接、表面处理、零部件机加
工,?,直到安装流程工艺；
? 关键部件的技术进步及质量管理：如有关传感器、空
气过滤器、阀件、管道及配件；
? 符合 GMP标准的生物反应器以及一些新技术的应用：如
SIP自动灭菌,CIP自动清洗、机械密封、排气处理、
取样处理等 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
蜂窝夹套 的 鼓胀成型●
激光焊接鼓胀成型蜂窝夹套加工时
再用水压鼓胀成型
先激光焊接
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
使用 SLWF2005型数控激光焊机，其激光器是国际上著名
的 ROFIN-
SINAR公司产品 。
ROFIN激光器
激光焊机控制系统
激光焊机床
激光焊喷头
激光焊机控制系统
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
5.一些重要的生物反应器产品进展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
5-10升实验室台式发酵罐
（嵌入式单片计算机系统）
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
带 pH测控与补料控制的摇床
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
发酵中试数据处理系
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
大型搅拌发酵罐设计制造
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
大型空气压缩机
180M3发酵罐车间
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
大规模动物细胞生物反应器
? 由于细菌等原核细胞表达系统在转录及修饰方面的
缺陷
? 许多重要价值的蛋白质（基因工程药物、疫苗、抗
体等）糖基化的需要
? 哺乳类动物细胞表达系统
? 当前生产高附加值的糖基化活性蛋白医药产品的重
要发展趋势
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
动物细胞反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
二、生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
?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
?在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培
养过程中进一步考察它的 生理生化特性,稳定或改进微
生物反应工艺过程，这里要求对生物物性的动态有详尽
的了解，对生化反应做 定量的和动力学 方面的考察
发酵工程的主要问题
过程优化与放大
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
─── 形成了经典的以动力学为基础的工程学概念
?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
?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。
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
─── 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
?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、合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能
量的关系。
?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
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容
? 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, 只是化学
工程宏观动力学概念在发酵工程上的简单延伸
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
单一生理调控制，
缺乏全局性的概念
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
背景
发酵过程优化与放大仍是
一个令人困惑的问题？
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
(1).宏观代谢流：
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
生物反应器
细胞生长
细胞代谢物质流与生物反应器物料流
变化的相关性
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
细胞生长
X m
(cp)Pco2
P
细胞水平的
代谢动力学
SUROUR
HERH+
CERPPR
传统的生物反应器物料流反馈控制
必需高度重视代谢流
及其对反应器的影响 ?产物与代谢流有关
? 不同层次反应的关联方法
(IFB)
葡萄糖
氮源
前体
油
rpm
F
H+
热
(MVS)
SFR
OTR
HTR
H+FR
反应器混
和与传递
常规控制器
生物反应器
s
DO剪切
TpH
(EVs)
(PVs)
细胞代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
复杂性
多容量过程
高度非线性
数据驱动型方法
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
FUS-50L(A)发酵罐的研制
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。
物料流检测
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术
在线
参数检测配置示意图
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
在 2000年上海国际工业博览会上展出的
FUS-50L(A)发酵罐
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
基因工程人血清白蛋白 (rh-SA)趋势曲线图
? 50L实验室,700mg/L----7g/L，放大到 500L
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
庆大霉素发酵
OUR:20~30 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
金霉素发酵
OUR:30~40 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
泰洛菌素发酵
OUR:40 ~50 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展 鸟苷发酵
OUR:40~50 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
青霉素 (200h)
OUR:50~70 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展 基因工程 植酸酶 发酵
OUR:150~200 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展基因工程毕赤酵母发酵（疟疾疫苗）
OUR:200~300 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
应用之一
? 传统微生物发酵
初级代谢产物
次级代谢产物
? 基因工程菌高密度高表达
大肠
枯草
酵母
发酵过程优化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
不同发酵产品的过程优化与放大结果
发酵产品 国际水平 原水平 提高后水平 放大规模 水平
青霉素 6.5万 u/ml 4.5万 u/m 6.3万 u/ml 3M3放大到 120M3 国内领先
红霉素 8000--1万 u/m 5000u/ml 8400u/ml 15L放大到 50M3 国际先进
饲料金霉素 23万 u/ml 1.6万 u/ml 2.1万 u/ml 50L放大到 120M3 国内领先
(110小时 ) (110小时 ) (110小时 )
鸟苷 50g/L 16 g/L 32 g/L 60L放大到 100M3 产率
(100小时 ) (50小时 ) (50小时 ) 国际先进
肌苷 90g/L 25g/L 35g/L 50L放大到 50M3 国内领先
(90小时 ) (50小时 ) (50小时 )
基因工程 7-10g/L 700 mg/L 7 g/L 50L放大到 500L 国内领先 白旦白
基因工程 ---- 70 mg/L 2.6g/L 50L 国际领先疟疾疫苗
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
应用之二
工业生产发酵罐系统的设计与制造
生理代谢参数相似的 放大原则，并不能代表大
型发酵罐的几何结构和动力结构等可设计参数的确
定。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
罐体结构参数与设计
?例如根据 OUR,KLa以及所选用的搅拌桨特性测算不同
发酵罐规模所需的 搅拌功率 研究；
?根据 OUR与菌体细胞 剪切适应量 选择不同规模发酵罐的
搅拌器形式、转速 或其他结构的研究； 动物细胞反应
器 ;
?搅拌器的混和与剪切特性的冷态研究,计算流体力学
的应用研究；
?H/D设计原理；
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
?大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡研究，以
及传动装置技术和整体罐结构设计研究；
?根据 耗氧率 进行 发热量 估计及 传热面积 的研究：
?不同传热结构（夹套、蛇管、半园管和 激光焊接膨
胀型蜂窝夹套 ）的传热效果、强度、无菌性能和造
价研究；
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
激光焊接膨胀型蜂窝夹套
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
生物反应器计算流体力学的应用
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
改进后的性能
液体速度分布图
采用计算流体力学对转速 100rpm,通气速度为 1vvm,
100M3的发酵罐进行了流动场预测 (灰黄霉素 )
改进前的性能
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
改进前的性能 改进后的性能
空气体积分布云图
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
溶氧（ DO）控制与菌体成
团就成为一对生物反应器
设计与控制的主要矛盾
工业应用的放大技术研究
以多尺度的观点，采用计算流体力学对生物反应器进行流
型仿真
计算流体力学在阿维菌素发酵过程优化中的应用
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
2T发酵 120hr
摇瓶发酵 142hr摇瓶种子 摇瓶发酵 22hr 摇瓶发酵 118hr
2T种子 2T发酵 35hr
50T发酵 12hr 50T发酵 38hr 50T发酵 129hr50T种子
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
改进前的性能 改进后的性能
液体剪切速率分布云
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
气升式生物反应器没计
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
动物细胞反应器主要技术特点
? 动物细胞无细胞壁，对营养要求严格
? 对 pH、溶氧、温度、剪切应力、抗污染等环境因子的
高敏感性
? 悬浮细胞、无血清培养
? 实现动物细胞生化反应器的大型化、自动化和精巧化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
丝网结构
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
搅拌桨设计
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
── 工程学方法
(2)复杂系统多尺度观点的应
用
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
基因水平的分子尺度属于 纳尺度 范围，一般在 10-9M以下
细胞代谢属于 微尺度 范围，在 10-8-10-4M
反应器工程属于 介尺度 范围，在 10-3-102M
空间尺度
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
-6 -4 -2 0 2 4 6 [s] log tim
酶浓度变化质量作用
变构控制
m-RNA控制 种群选择
进化
? 微生物和细胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑 制、亚基的
结合和解离、共价修饰和降解）控制的时间常数描述在 ms至 s的
范围内
? 基因表达 调控水平上（诱导、转录的抑制和去抑制）描述至 min
? 细胞内酶 的浓度变化与菌体生长由 小时至天 为单
? 种群 选择和进化水平上则描述至 更大 的单位
时间尺度
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
经典的以动力学为基础的工程学概念
系统结构性变化的非线性特征
具有, 变化着的结构,
由于不同尺寸的边界条件难以区分，甚至还未能发
现，就造成系统结果的差异或最优过程的严重偏离
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
应用例子之一
新型食品添加剂呈味核苷酸二钠生产
关键技术优化研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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：
4040小时 OUR下降，耗糖速率增加，氨氮用量增加
鸟苷产率迅速下降 ── 代谢流迁移
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
生物反应器：测量观察值 多尺度：细胞代谢流？
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
w
状态方程建立与系统识别
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
关键技术
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术
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
,发酵工程技术展望,
关键技术
?生物过程工程理论的发展
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
关键技术
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
不同时间代谢流分布 HMP
EMP
丙氨酸
代谢流,HMP→EMP→ 丙氨酸
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术
? 小试与中试规模,
17.2克 /L →34 克 /L(60小时 )
? 100M3生产规模,
16克 /L →32 克 /L(60小时 )
工艺改进后实施效果
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
本项目完成后的
市场竞争纪要
?2001年 5月广东星湖公司恢复生产
?2001年 7月，日方提出就“价格回升问题”进行谈判，
星湖公司拒绝了日方谈判要求。
?2001年底星湖控制了中国市场，日方退出。
?20O2年价格回升，星湖开始创利
?目前价格已达 17.5万元 /吨
?2003年实施扩产计划，走向国际市场
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
效益与意义?100M3工业规模发酵罐上发酵水平从 17.2g/L提高 27g/L
?产量二次扩产为原来的 300%
?I+G市场价格由原来的超低价回复到较正常的价格
年度 新增产值
(万元 )
新增利润
(万元 )
新增税收
(万元 )
新增利税
(万元 )
2001 3129 ----- ----- -----
2002 7281 3450 1725 5175
2003年 1-4月 5020 2040 680 2720
合计 15430 5490 2405 7895
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
获奖情况
2003年上海市科技进步一等奖
2004年国家科技进步二等奖
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术
研究结果
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。
可能是导致生产菌株产苷水平升高的一个重要原因。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
(A) PurR dimer,The monomers are
colored according to function (N termini,
HTH motifs,and wings in blue; hoods in
cyan; PPi loops in gold; flexible loops in
red; and PRPP motifs in purple),Other
regions are green in one monomer and
gray in the other and are semitransparent
to aid in viewing the highlighted regions,
In this view,the dimer dyad axis is vertical
and in the plane of the page,Sulfate ions
and a HEPES buffer molecule are
rendered as bonds colored by atomic type
(C,yellow; O,red; N,blue; and S,green),
(B) PurR monomer,The stereo ribbon
diagram is colored as the gray subunit in
panel A,Secondary structures are labeled,
Sulfate ions are shown as in panel A,
Residues 163 to 167 and 275 to 285 are not
displayed,as they are disordered,
阻遏蛋白 PurR的三级结构
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
Model for PurR-DNA binding,
Two PurR dimers (light gray) bind a DNA (dark gray) containing two PurBoxes,
According to this model,each PurBox is recognized by the conserved,positively
charged surface of a winged-helix dimer,PurR dimer-dimer contacts are like the
crystal lattice contact seen in both PurR crystal forms,An A track at the outer
edge of the strong PurBox kinks the DNA,thereby allowing contact with the
positively charged surface of the PRT domain and with the conserved,positively
charged surface surrounding the PRPP site (top of the labeled dimer),
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
Nucleotide sequence of the pur operon control region
from B,subtilis,The wild-type nucleotide sequence is
shown from position -177 to position +24 with respect to
the site of transcription initiation (+1),The PurBoxes are
shaded.
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
菌种不变
良好的遗传背景 (sAMP)
反应器操作
主流代谢流迁移
16克 /L →30 克 /L
? 主流代谢迁移对生物合成的影响
? 除了生物合成基因外，还存在其他影响产物形成的基因和因素
? 这个基因的表型是受环境条件的影响
? 选择合理的（生物合成和其他）基因塔配和生物反应器操作
-------过程优化
问题?
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
三、过程生物技术的进展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
(1)组学研究技术平台
? 基因组学 生命网络的零件
? 转录组学 生命网络的零件
? 蛋白质组学 生命网络的零件
? 代谢组学 生命网络的零件
? 相互作用组学 生命活动的途径、网络和模块
? 表型组学 生命活动的表征
? 计算生物学 生命活动的数学模型与预测
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
(2)系统生物学
二十一世纪的生命科学
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
整体性研究为特征的
一种大科学
生物科技的发展正在以, 结构基因组学 → 功能基因组
学 （ 蛋白质组学 ） → 系统生物学 (system biology)→
合成生物学 (synthetic biology)” 路径模式快速演进 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
生物过程工程系统生物学研究
可以对环境参数与细胞的转录组、蛋白组、代谢
组等不同层级的参数进行 直接的，机制性的,理性
的，全域性的关联
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
生物过程系统生物学研究
的重要特点
? 我们所研究的复杂程度与目前已掌握知识的局限
性 。
?, 自上而下, 的研究, 还是, 自下而上, 的研究；
,整体, 研究还是, 局部, 研究 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
自上而下 自下而上
菌种 菌种
生产 生产 特性特性
生理 生理特性 特性
基因 1 基因 2基因 3 基因 4 基因 1基因 2 基因 3 基因 4
系统生物学
从完整的系统开始，将某分解成多个
组成部分及相互作用，但全部成分和
相互作用还设有被我们完全了解
现有研究方法
将所有已知组成以及相互作用
组合起来建立一个系统模型。
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
?,数据超载, ─── 现代科学技术研究结果的普遍现
象 。
? 反复推敲问题性质以及解决问题的途径, 要求在
,正常, 和, 非正常, 情况下对问题进行对照摸索 。
基本方法
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
基于信息处理的生物过程检测与控制
?数据 → 信息 → 知识：
?数据的简化和归一化,
?将信息转化为知识就需要我们理解数据的真正含义, 以
及它是如何与所要解决的问题联系在一起的 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
生物过程的信息处理与控制系统
Fig,3 Modeling is a key tool for linking the
monitoring and control of biological systems
(Carl-Fredrik Mandenius, Bioprocess Biosyst Eng
(2004) 26,347–351)
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
生命科学测定技术与分析仪器
──重要的过程检测参数
基因组学
测序技术
转录组学
基因芯片
代谢组学
HPLC
相互作用组学
酵母双杂交
蛋白组学
2D电泳
时间飞行质谱
双链 DNA芯片
关联分析
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
───发酵工程研究的生物学重要基础
发酵过程系统生物学研究的
宏观差异分析法
?发酵过程中采用基于发酵过程参数相关的方法
?酶和调控因子的差异蛋白质组学
?基因水平上采用基因芯片的代谢谱整合法
── 精细工程（ Precision Engineering）
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
(3)双组分系统（ TCS）
信号传导蛋白包含多种结构域，这些结构域都是模块化
的，它们能以各种各样的方式组织起来，构建大量的信号传
导回路。
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
基因组
环境组
转录组 蛋白组 代谢组
基因操作
过程优化
TCS调控网络
转录调
控网络
代谢调
控网络
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
对今后研究的影响
宏观与微观的联系
揭示过程的本质
实现过程优化与放大
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
组学研究在细胞过程中的应用
细
胞
过
程
关
联
分
析
RNA样本 转录谱分析
蛋白样本 蛋白谱分析
代谢物样本 代谢谱分析
代谢调控基因精细代谢过程改造菌种
多尺度过程参数相关分析优化环境因子
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
系统方法研究细胞培养过程的优点：
代谢工程与过程工程的统一
过程与系统的统一
过程优化与菌种改良的统一
过程参数与分子调控的统一
反应器系统与细胞系统的统一
表型研究中环境与基因组的统一
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
四、以信息处理为基础的生物过
程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
参数 (变量 )分类
直接参数, 物理参数,如温度、通气流量、搅拌转速,?
化学参数,如 DO,pH、排气 02,CO2?
生物量参数, 菌量,OD
间接参数, 由一些直接参数计标得到的各种反映过程特性 的
参数。如 OUR,CER,RQ
手工参数, 取样后实验室手工测量参数，离线输入。
检测与控制技术发展的历史回顾
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
经典控制
开关量控制
PID反馈控制
前馈控制
串级控制
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
现代控制
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
经典与现代控制理论
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
对生物反应器的测量与控制系统的发展产生重
要影响
宏观到微观
工程学方法
还原与综合
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
生物反应器复杂系统的认
识与测量控制技术
系统对象认识
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
技术平台的构建
基因组学
测序技术
转录组学
基因芯片
代谢组学
HPLC
相互作用组学
酵母双杂交
蛋白组学
2D电泳
时间飞行质谱
双链 DNA芯片
关联分析
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
PDQuest linked to ProteinLynx
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
M@LDITM Automated 2D-Gel-Tof MS
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
自动 LC ESI-MS/MS 分析
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
1013.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
Isolated
digested
proteins Waters CapLC
ProteinLynx data
processing and database
searching
ProteinLynx
results browser
Micromass Q-Tof automated
ESI-MS/MSMS/MS
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
制备型 HPLC
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
蛋白质－ DNA相互作用研究
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
建立发酵试验数据采集与分析系统
? 多尺度与系统生物学理论与观点
? 菌种改造、发酵工艺、发酵罐设计统一起来
? 计算机硬件系统
? 计算机软件系统
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
?结合重大产品开发，开展基础性与应用基础研究，形成平
台技术与推广，基础性自主创新。
?模式生物研究：微生物以及外在环境构建成一种相对封闭
的生态系统，可以作为系统生物学的研究的模式生物。周期
短、见效快。
建议
在, 十一五, 和国家中长期规划
组织全国合作,5-10年解决以下问题：
?基因芯片转录谱、代谢物谱、差异蛋白、代谢工程、菌
种筛选平台、过程传感、实时代谢流分析与相关分析软
件包、反应器计算流体力学等配套技术问题。
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
,发酵工程技术展望,
,发酵工程技术展望,
张嗣良
国家生化工程技术研究中心（上海）
2005.2
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
一、商品化生物反应器
二、生物过程工程理论的发展
三、过程生物技术的进展
四、基于信息处理的生物过程检测与控制
内容
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
一、商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
1.生物反应器产业的产品特点
2.发酵过程传感、计算机与控制技术
3.过程放大技术的应用
4.装备制造与设计技术的进步
5.一些重要的生物反应器产品
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
产值不大作用大：支撑技术
产品多样性：不同细胞、不同工艺、不同规模
生物过程优化与放大技术：活细胞
生物技术发展要求性能更高的生物反应器
产品型号更新换代与部件技术研究：综合技术
产品生产的标准化、规范化,技术难度大
高品质的售后技术支持：过程优化与放大
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
? 传感器, DO,pH,排气成份分析系统, 培养液成分, 细胞
状态 ……, 其他常用热工传感器, ……
? 计算机控制系统, 单片智能, 工控机, pLC, 现场总线,
DCS ……
? 执行器件, 各式手动与自动阀门, 特殊阀门, 杯式补料系统
? 参数自动控制回路
温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制 pH调节（手
控或自控）； DO与转速、通气流量程序串级调节 ……
2.发酵过程传感、计算机与控制技术
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
嵌入式单片计算机系统
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
生产车间计算机控制室
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
杯式补料系统
执行器件
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
温度传感器、耐高温 pH和溶氧（ DO）传感器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
通气质量流量计
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
▲ 压 力 传 感 器
▼ 电 子 秤
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
新传感技术
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
蠕动泵补料测量与控制系统
控制系统：流速调整幅度大 (从 0.1ml/h-5L/h)，可变速蠕
动泵，占空比可调整的开关控制。
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
全罐电子秤称重系统
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
新传感技术 `
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
数字式尾气氧和二氧化碳分析仪
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
发酵车间安装的质谱仪
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
流动注射分析系统 (FIA)
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
在线 HPLC
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
用于过程分析的在线红外分析仪
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
Theory of Dielectrics -
The Basics of Dielectric Theory
two outer pins produce a
radiofrequency electric field
two inner pins measure
the voltage.
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
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
数学模型
现代控制理论的应用
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
几何相似
流体运动学相似
流体动力学相似
因次分析法
经验法则法
数学模拟法
时间常数法
3.过程放大技术的应用
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
计算流体力学
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
4.装备制造与设计技术的进步
? 标准化、规范化
? IS09001管理，提供合符用户要求及质量稳定的产品；
? 制造过程：如材料、焊接、表面处理、零部件机加
工,?,直到安装流程工艺；
? 关键部件的技术进步及质量管理：如有关传感器、空
气过滤器、阀件、管道及配件；
? 符合 GMP标准的生物反应器以及一些新技术的应用：如
SIP自动灭菌,CIP自动清洗、机械密封、排气处理、
取样处理等 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
蜂窝夹套 的 鼓胀成型●
激光焊接鼓胀成型蜂窝夹套加工时
再用水压鼓胀成型
先激光焊接
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
使用 SLWF2005型数控激光焊机，其激光器是国际上著名
的 ROFIN-
SINAR公司产品 。
ROFIN激光器
激光焊机控制系统
激光焊机床
激光焊喷头
激光焊机控制系统
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
5.一些重要的生物反应器产品进展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
5-10升实验室台式发酵罐
（嵌入式单片计算机系统）
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
带 pH测控与补料控制的摇床
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
发酵中试数据处理系
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
大型搅拌发酵罐设计制造
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
大型空气压缩机
180M3发酵罐车间
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
大规模动物细胞生物反应器
? 由于细菌等原核细胞表达系统在转录及修饰方面的
缺陷
? 许多重要价值的蛋白质（基因工程药物、疫苗、抗
体等）糖基化的需要
? 哺乳类动物细胞表达系统
? 当前生产高附加值的糖基化活性蛋白医药产品的重
要发展趋势
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?商品化生物反应器
动物细胞反应器
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
二、生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
?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
?在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培
养过程中进一步考察它的 生理生化特性,稳定或改进微
生物反应工艺过程，这里要求对生物物性的动态有详尽
的了解，对生化反应做 定量的和动力学 方面的考察
发酵工程的主要问题
过程优化与放大
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
─── 形成了经典的以动力学为基础的工程学概念
?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
?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。
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
─── 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
?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、合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能
量的关系。
?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
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容
? 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, 只是化学
工程宏观动力学概念在发酵工程上的简单延伸
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
单一生理调控制，
缺乏全局性的概念
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
背景
发酵过程优化与放大仍是
一个令人困惑的问题？
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。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
(1).宏观代谢流：
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
生物反应器
细胞生长
细胞代谢物质流与生物反应器物料流
变化的相关性
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
细胞生长
X m
(cp)Pco2
P
细胞水平的
代谢动力学
SUROUR
HERH+
CERPPR
传统的生物反应器物料流反馈控制
必需高度重视代谢流
及其对反应器的影响 ?产物与代谢流有关
? 不同层次反应的关联方法
(IFB)
葡萄糖
氮源
前体
油
rpm
F
H+
热
(MVS)
SFR
OTR
HTR
H+FR
反应器混
和与传递
常规控制器
生物反应器
s
DO剪切
TpH
(EVs)
(PVs)
细胞代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
复杂性
多容量过程
高度非线性
数据驱动型方法
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
FUS-50L(A)发酵罐的研制
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。
物料流检测
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术
在线
参数检测配置示意图
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
在 2000年上海国际工业博览会上展出的
FUS-50L(A)发酵罐
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
基因工程人血清白蛋白 (rh-SA)趋势曲线图
? 50L实验室,700mg/L----7g/L，放大到 500L
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
庆大霉素发酵
OUR:20~30 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
金霉素发酵
OUR:30~40 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
泰洛菌素发酵
OUR:40 ~50 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展 鸟苷发酵
OUR:40~50 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
青霉素 (200h)
OUR:50~70 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展 基因工程 植酸酶 发酵
OUR:150~200 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展基因工程毕赤酵母发酵（疟疾疫苗）
OUR:200~300 mol/h.m3
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
应用之一
? 传统微生物发酵
初级代谢产物
次级代谢产物
? 基因工程菌高密度高表达
大肠
枯草
酵母
发酵过程优化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
不同发酵产品的过程优化与放大结果
发酵产品 国际水平 原水平 提高后水平 放大规模 水平
青霉素 6.5万 u/ml 4.5万 u/m 6.3万 u/ml 3M3放大到 120M3 国内领先
红霉素 8000--1万 u/m 5000u/ml 8400u/ml 15L放大到 50M3 国际先进
饲料金霉素 23万 u/ml 1.6万 u/ml 2.1万 u/ml 50L放大到 120M3 国内领先
(110小时 ) (110小时 ) (110小时 )
鸟苷 50g/L 16 g/L 32 g/L 60L放大到 100M3 产率
(100小时 ) (50小时 ) (50小时 ) 国际先进
肌苷 90g/L 25g/L 35g/L 50L放大到 50M3 国内领先
(90小时 ) (50小时 ) (50小时 )
基因工程 7-10g/L 700 mg/L 7 g/L 50L放大到 500L 国内领先 白旦白
基因工程 ---- 70 mg/L 2.6g/L 50L 国际领先疟疾疫苗
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
应用之二
工业生产发酵罐系统的设计与制造
生理代谢参数相似的 放大原则，并不能代表大
型发酵罐的几何结构和动力结构等可设计参数的确
定。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
罐体结构参数与设计
?例如根据 OUR,KLa以及所选用的搅拌桨特性测算不同
发酵罐规模所需的 搅拌功率 研究；
?根据 OUR与菌体细胞 剪切适应量 选择不同规模发酵罐的
搅拌器形式、转速 或其他结构的研究； 动物细胞反应
器 ;
?搅拌器的混和与剪切特性的冷态研究,计算流体力学
的应用研究；
?H/D设计原理；
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
?大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡研究，以
及传动装置技术和整体罐结构设计研究；
?根据 耗氧率 进行 发热量 估计及 传热面积 的研究：
?不同传热结构（夹套、蛇管、半园管和 激光焊接膨
胀型蜂窝夹套 ）的传热效果、强度、无菌性能和造
价研究；
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
激光焊接膨胀型蜂窝夹套
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
生物反应器计算流体力学的应用
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
改进后的性能
液体速度分布图
采用计算流体力学对转速 100rpm,通气速度为 1vvm,
100M3的发酵罐进行了流动场预测 (灰黄霉素 )
改进前的性能
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
改进前的性能 改进后的性能
空气体积分布云图
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
溶氧（ DO）控制与菌体成
团就成为一对生物反应器
设计与控制的主要矛盾
工业应用的放大技术研究
以多尺度的观点，采用计算流体力学对生物反应器进行流
型仿真
计算流体力学在阿维菌素发酵过程优化中的应用
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
2T发酵 120hr
摇瓶发酵 142hr摇瓶种子 摇瓶发酵 22hr 摇瓶发酵 118hr
2T种子 2T发酵 35hr
50T发酵 12hr 50T发酵 38hr 50T发酵 129hr50T种子
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
改进前的性能 改进后的性能
液体剪切速率分布云
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
气升式生物反应器没计
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
动物细胞反应器主要技术特点
? 动物细胞无细胞壁，对营养要求严格
? 对 pH、溶氧、温度、剪切应力、抗污染等环境因子的
高敏感性
? 悬浮细胞、无血清培养
? 实现动物细胞生化反应器的大型化、自动化和精巧化
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
丝网结构
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
搅拌桨设计
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
── 工程学方法
(2)复杂系统多尺度观点的应
用
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
基因水平的分子尺度属于 纳尺度 范围，一般在 10-9M以下
细胞代谢属于 微尺度 范围，在 10-8-10-4M
反应器工程属于 介尺度 范围，在 10-3-102M
空间尺度
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
-6 -4 -2 0 2 4 6 [s] log tim
酶浓度变化质量作用
变构控制
m-RNA控制 种群选择
进化
? 微生物和细胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑 制、亚基的
结合和解离、共价修饰和降解）控制的时间常数描述在 ms至 s的
范围内
? 基因表达 调控水平上（诱导、转录的抑制和去抑制）描述至 min
? 细胞内酶 的浓度变化与菌体生长由 小时至天 为单
? 种群 选择和进化水平上则描述至 更大 的单位
时间尺度
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
经典的以动力学为基础的工程学概念
系统结构性变化的非线性特征
具有, 变化着的结构,
由于不同尺寸的边界条件难以区分，甚至还未能发
现，就造成系统结果的差异或最优过程的严重偏离
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
应用例子之一
新型食品添加剂呈味核苷酸二钠生产
关键技术优化研究
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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：
4040小时 OUR下降，耗糖速率增加，氨氮用量增加
鸟苷产率迅速下降 ── 代谢流迁移
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
生物反应器：测量观察值 多尺度：细胞代谢流？
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
w
状态方程建立与系统识别
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
关键技术
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术
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
,发酵工程技术展望,
关键技术
?生物过程工程理论的发展
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
关键技术
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
不同时间代谢流分布 HMP
EMP
丙氨酸
代谢流,HMP→EMP→ 丙氨酸
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术
? 小试与中试规模,
17.2克 /L →34 克 /L(60小时 )
? 100M3生产规模,
16克 /L →32 克 /L(60小时 )
工艺改进后实施效果
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
本项目完成后的
市场竞争纪要
?2001年 5月广东星湖公司恢复生产
?2001年 7月，日方提出就“价格回升问题”进行谈判，
星湖公司拒绝了日方谈判要求。
?2001年底星湖控制了中国市场，日方退出。
?20O2年价格回升，星湖开始创利
?目前价格已达 17.5万元 /吨
?2003年实施扩产计划，走向国际市场
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
效益与意义?100M3工业规模发酵罐上发酵水平从 17.2g/L提高 27g/L
?产量二次扩产为原来的 300%
?I+G市场价格由原来的超低价回复到较正常的价格
年度 新增产值
(万元 )
新增利润
(万元 )
新增税收
(万元 )
新增利税
(万元 )
2001 3129 ----- ----- -----
2002 7281 3450 1725 5175
2003年 1-4月 5020 2040 680 2720
合计 15430 5490 2405 7895
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
获奖情况
2003年上海市科技进步一等奖
2004年国家科技进步二等奖
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
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
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
关键技术
研究结果
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。
可能是导致生产菌株产苷水平升高的一个重要原因。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
(A) PurR dimer,The monomers are
colored according to function (N termini,
HTH motifs,and wings in blue; hoods in
cyan; PPi loops in gold; flexible loops in
red; and PRPP motifs in purple),Other
regions are green in one monomer and
gray in the other and are semitransparent
to aid in viewing the highlighted regions,
In this view,the dimer dyad axis is vertical
and in the plane of the page,Sulfate ions
and a HEPES buffer molecule are
rendered as bonds colored by atomic type
(C,yellow; O,red; N,blue; and S,green),
(B) PurR monomer,The stereo ribbon
diagram is colored as the gray subunit in
panel A,Secondary structures are labeled,
Sulfate ions are shown as in panel A,
Residues 163 to 167 and 275 to 285 are not
displayed,as they are disordered,
阻遏蛋白 PurR的三级结构
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
Model for PurR-DNA binding,
Two PurR dimers (light gray) bind a DNA (dark gray) containing two PurBoxes,
According to this model,each PurBox is recognized by the conserved,positively
charged surface of a winged-helix dimer,PurR dimer-dimer contacts are like the
crystal lattice contact seen in both PurR crystal forms,An A track at the outer
edge of the strong PurBox kinks the DNA,thereby allowing contact with the
positively charged surface of the PRT domain and with the conserved,positively
charged surface surrounding the PRPP site (top of the labeled dimer),
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
Nucleotide sequence of the pur operon control region
from B,subtilis,The wild-type nucleotide sequence is
shown from position -177 to position +24 with respect to
the site of transcription initiation (+1),The PurBoxes are
shaded.
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?生物过程工程理论的发展
菌种不变
良好的遗传背景 (sAMP)
反应器操作
主流代谢流迁移
16克 /L →30 克 /L
? 主流代谢迁移对生物合成的影响
? 除了生物合成基因外，还存在其他影响产物形成的基因和因素
? 这个基因的表型是受环境条件的影响
? 选择合理的（生物合成和其他）基因塔配和生物反应器操作
-------过程优化
问题?
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
三、过程生物技术的进展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
(1)组学研究技术平台
? 基因组学 生命网络的零件
? 转录组学 生命网络的零件
? 蛋白质组学 生命网络的零件
? 代谢组学 生命网络的零件
? 相互作用组学 生命活动的途径、网络和模块
? 表型组学 生命活动的表征
? 计算生物学 生命活动的数学模型与预测
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
(2)系统生物学
二十一世纪的生命科学
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
整体性研究为特征的
一种大科学
生物科技的发展正在以, 结构基因组学 → 功能基因组
学 （ 蛋白质组学 ） → 系统生物学 (system biology)→
合成生物学 (synthetic biology)” 路径模式快速演进 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
生物过程工程系统生物学研究
可以对环境参数与细胞的转录组、蛋白组、代谢
组等不同层级的参数进行 直接的，机制性的,理性
的，全域性的关联
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
生物过程系统生物学研究
的重要特点
? 我们所研究的复杂程度与目前已掌握知识的局限
性 。
?, 自上而下, 的研究, 还是, 自下而上, 的研究；
,整体, 研究还是, 局部, 研究 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
自上而下 自下而上
菌种 菌种
生产 生产 特性特性
生理 生理特性 特性
基因 1 基因 2基因 3 基因 4 基因 1基因 2 基因 3 基因 4
系统生物学
从完整的系统开始，将某分解成多个
组成部分及相互作用，但全部成分和
相互作用还设有被我们完全了解
现有研究方法
将所有已知组成以及相互作用
组合起来建立一个系统模型。
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
?,数据超载, ─── 现代科学技术研究结果的普遍现
象 。
? 反复推敲问题性质以及解决问题的途径, 要求在
,正常, 和, 非正常, 情况下对问题进行对照摸索 。
基本方法
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
基于信息处理的生物过程检测与控制
?数据 → 信息 → 知识：
?数据的简化和归一化,
?将信息转化为知识就需要我们理解数据的真正含义, 以
及它是如何与所要解决的问题联系在一起的 。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
生物过程的信息处理与控制系统
Fig,3 Modeling is a key tool for linking the
monitoring and control of biological systems
(Carl-Fredrik Mandenius, Bioprocess Biosyst Eng
(2004) 26,347–351)
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
生命科学测定技术与分析仪器
──重要的过程检测参数
基因组学
测序技术
转录组学
基因芯片
代谢组学
HPLC
相互作用组学
酵母双杂交
蛋白组学
2D电泳
时间飞行质谱
双链 DNA芯片
关联分析
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
───发酵工程研究的生物学重要基础
发酵过程系统生物学研究的
宏观差异分析法
?发酵过程中采用基于发酵过程参数相关的方法
?酶和调控因子的差异蛋白质组学
?基因水平上采用基因芯片的代谢谱整合法
── 精细工程（ Precision Engineering）
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
(3)双组分系统（ TCS）
信号传导蛋白包含多种结构域，这些结构域都是模块化
的，它们能以各种各样的方式组织起来，构建大量的信号传
导回路。
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
基因组
环境组
转录组 蛋白组 代谢组
基因操作
过程优化
TCS调控网络
转录调
控网络
代谢调
控网络
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
对今后研究的影响
宏观与微观的联系
揭示过程的本质
实现过程优化与放大
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
组学研究在细胞过程中的应用
细
胞
过
程
关
联
分
析
RNA样本 转录谱分析
蛋白样本 蛋白谱分析
代谢物样本 代谢谱分析
代谢调控基因精细代谢过程改造菌种
多尺度过程参数相关分析优化环境因子
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?过程生物技术的发展
系统方法研究细胞培养过程的优点：
代谢工程与过程工程的统一
过程与系统的统一
过程优化与菌种改良的统一
过程参数与分子调控的统一
反应器系统与细胞系统的统一
表型研究中环境与基因组的统一
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
四、以信息处理为基础的生物过
程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
参数 (变量 )分类
直接参数, 物理参数,如温度、通气流量、搅拌转速,?
化学参数,如 DO,pH、排气 02,CO2?
生物量参数, 菌量,OD
间接参数, 由一些直接参数计标得到的各种反映过程特性 的
参数。如 OUR,CER,RQ
手工参数, 取样后实验室手工测量参数，离线输入。
检测与控制技术发展的历史回顾
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
经典控制
开关量控制
PID反馈控制
前馈控制
串级控制
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
现代控制
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
经典与现代控制理论
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
对生物反应器的测量与控制系统的发展产生重
要影响
宏观到微观
工程学方法
还原与综合
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
生物反应器复杂系统的认
识与测量控制技术
系统对象认识
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
技术平台的构建
基因组学
测序技术
转录组学
基因芯片
代谢组学
HPLC
相互作用组学
酵母双杂交
蛋白组学
2D电泳
时间飞行质谱
双链 DNA芯片
关联分析
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
PDQuest linked to ProteinLynx
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
M@LDITM Automated 2D-Gel-Tof MS
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
自动 LC ESI-MS/MS 分析
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
1013.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 m /z0
100
%
1619.2 8968.6 4
836.5 8
893.6 7
1251.9 3
969.7 0
970.6 9
13.8 0
1060.2 3
1061.2 6
1252.9 7
1254.0 0
1570.1 7
1448.1 4
2313.6 9
2312.7 6
1621.1 4
1670.2 5
1671.2 4
1672.1 4
1873.4 6
1853.3 8 2019.5 71876.4 1 2271.8 3
2036.5 7
2314.7 5
2315.8 0
2366.8 3
2367.9 0
2368.8 5
2369.9 1 2718.0 9
Isolated
digested
proteins Waters CapLC
ProteinLynx data
processing and database
searching
ProteinLynx
results browser
Micromass Q-Tof automated
ESI-MS/MSMS/MS
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
制备型 HPLC
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
蛋白质－ DNA相互作用研究
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
建立发酵试验数据采集与分析系统
? 多尺度与系统生物学理论与观点
? 菌种改造、发酵工艺、发酵罐设计统一起来
? 计算机硬件系统
? 计算机软件系统
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
,发酵工程技术展望,
?以信息处理为基础的生物过程检测与控制
?结合重大产品开发，开展基础性与应用基础研究，形成平
台技术与推广，基础性自主创新。
?模式生物研究：微生物以及外在环境构建成一种相对封闭
的生态系统，可以作为系统生物学的研究的模式生物。周期
短、见效快。
建议
在, 十一五, 和国家中长期规划
组织全国合作,5-10年解决以下问题：
?基因芯片转录谱、代谢物谱、差异蛋白、代谢工程、菌
种筛选平台、过程传感、实时代谢流分析与相关分析软
件包、反应器计算流体力学等配套技术问题。
http://biotech.ecust.edu.cn/jpkc/fjgc
