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
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
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
?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
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
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 。
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
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
方法和装备技术研究
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
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 …
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 。
物料流检测
专门用于发酵过程优化与放大
研究用的 FUS-50L(A)发酵罐
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
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。