張嗣良華東理工大學國家生化工程技術研究中心(上海）2011.11發酵過程工程學研究及工藝裝備新技術工業發酵技術在國民經濟發展中的作用發酵工程醫藥、輕工食品、農業、環保、能源、…社會可持續發展生物技術發展需求醫藥、食品領域的重要內容和關鍵技術新型食品添加劑、防腐劑、功能食品…食品微生物藥物新藥、抗體疫苗、酶…生物能源纖維素乙醇、生物柴油…環境保護生物治理、生物預報…農業農產品深加工、生物農藥與肥料………數千年歷史技術持續發展工業生物技術基礎社會經濟發展必須動物細胞大規模培養抗生素、維生素、基因產品生物基化學品可降解塑料、生物乙烯、1、3丙二醇…生命科學發展與生物過程復雜系統存在問題：優化與放大效果差，研究周期長困難：缺乏全局與動態性研究傳感器大量生物學信息優化與放大困難(全局與動態)？僅以傳統的生物學方法或化學工程方法有很大局限性細胞內細胞外溫度、攪拌、pH、DO、培養基配方…基因、轉錄、表達、代謝途徑…系統動態基質產物過程宏觀信息工程學經典的生物過程工程學與生物學基礎發酵過程研究的工程學理論基礎

───為解決過程優化關鍵技術提供基本方法和理論

有關生物技術的學科交義基礎學科：生物學、化學、工程學生物技術Biotechnology生物工程Bioengineering生物學生物工程工程學化學化學工程生物技術生物化學Moo-Young:ComprehensiveBiotechnology1989.生化工程

生物學與化學工程相結合的交義學科，又被稱為生物化工是運用化學工程的原理和方法對實驗室取得的生物技術成果加以開發，使之成為生物反應過程的一門學科生物反應工程

其中生物反應工程是針對利用生物材料進行產品加工時所特有的反應復雜性，通過冷態和熱態試驗，并結合宏觀動力學和微觀動力學研究，揭示生物反應器結構變量、操作變量和操作模式對特定生物過程及其目標產物生成的影響策略，從而達到反應系統強化與放大的目的。生化工程學形成的工業基礎

二十世紀四十年代初，第二次世界大戰爆發，青霉素的發現，迅速形成工業大規摸生產。1928年由Fleming發現青霉素

1941年美國和英國合作對青霉素進行生產研究表面培養：1升扁瓶或錐形瓶，內裝200mL麥麩培養基 ──40u/ml1943年沉浸培養：5m3──200u/ml當今：100-300m3──11-13萬u/ml

鏈霉素、金霉素、新霉索、紅霉素

主要的技術進展通氣攪拌解決了液體深層培養時的供氧問題。抗雜菌污染的純種培養技術：無菌空氣、培養基滅菌、無污染接種、大型發酵罐的密封與抗污染設計制造。意義抗生素工業的發展建立了一套完整的好氧發酵技術，大型攪拌發酵罐培養方法推動了整個發酵工業的深入發展為現代發酵工程奠定了基礎過程優化與放大研究在已提供高產菌株（或細胞株）的基礎上，如何把這些高產菌種在培養過程中進一步考察它的生理生化特性，穩定或改進微生物反應工藝過程，這里要求對生物物性的動態有詳盡的了解，對生化反應做定量的和動力學方面的考察發酵過程是以微生物反應為核心的，有很多過程環節參與的綜合結果，整個過程貫穿著以"速率"為內容的基礎研究與化學工程相結合形成了生化工程動力學與反應器工程本征動力學：即沒有在生物反應器中各種形式的傳遞過程等工程因素影響時的微生物反應的固有反應速率。───形成了經典的以動力學為基礎的工程學概念生物反應工程：它涉及二方面的內容，即宏觀微生物反應動力學和生物反應器工程。其中反應器工程是指包括影響微生物反應宏觀動力學的生物反應器形式、結構、操作方式、物料混和傳遞過程特性等宏觀動力學：但是實際發酵過程是在生物反應器中進行，因此，從實用意義出發，人們重視一定反應器內檢測到的反應速率即總反應速率及其影響因素，這就是宏觀動力學研究。

微生物生長和反應過程研究必須從基質進入細胞，胞內反應，代謝產物的胞內外分泌等全過程進行分析───形成了經典的以化學計量學和熱力學研究為基礎的發酵工程生物學從工程學角度研究對生長反應的影響。研究各類微生物代謝平衡的理論、方法和實際有效的實驗量化數據。例如胞內反應中分解代謝、合成代謝和大分子物質合成之間的物質和能量平衡,生長得率系數、產物得率系數、比生長速率、比消耗基質速率等。要經過1000多步胞內反應才能轉化為代謝產物和細胞成分，我們不可能對這些反應進行一一定量的計算測量參數及其變化的意義缺乏理解最佳工藝控制點為依據的靜態操作方法，只是化學工程宏觀動力學概念在發酵工程上的簡單延伸缺乏以細胞代謝流分析與控制為核心的研究內容經典的以動力學為基礎的工程學概念經典的以化學計量學和熱力學研究為基礎的發酵工程生物學過程優化

發酵過程計算機控制傳感器：DO、pH、排氣成份分析系統……計算機控制系統：單片智能、工控機、pLC、DCS……執行器件：杯式補料系統參數自動控制回路溫度自動控制；通氣流量自動控制；罐壓自動控制pH調節（手控或自控）；DO與轉速、通氣流量程序串級調節……───效果不明顯

模型化靜態和動態優化系統識別自適應控制專家系統、模糊控制、神經元網絡各種混沌現象的研究實際工廠生產───效果不明顯過程放大因次分析法經驗法則法數學模擬法時間常數法幾何相似流體運動學相似流體動力學相似同時滿足這些相似條件是不可能的背景基因工程研究代謝調控研究發酵過程代謝途徑研究的困難過程數據采集和處理的困難發酵罐單一生理調控機制的研究，缺乏發酵過程全局優化技術發展中面臨的主要問題仍舊局限于尋求最佳的溫度、pH、DO和培養基配方等缺乏微觀的實時的代謝調控發酵工藝優化研究的基本思路優化與放大技術現狀效率低：10-30%周期長：月、年徘徊不前

對于活體細胞調控來說，采用傳統的生物學方法或化學工程的調控方法，存在很大的問題，國內外都沒有很好解決。發酵過程優化放大技術的現狀與存在的問題過程優化主要靠人工經驗長期摸索───效果差周期長提高工業生產規模發酵單位需數年到幾十年時間，特別是大宗發酵產品新產品或國外引進技術：投產進程慢，周期長過程放大主要采用人工經驗逐級放大──效果差風險大從搖瓶到工業規模（1-幾百m3）逐級放大，耗時耗財和人力放大指數越大風險越大（新設備、新產品）影響發酵工程整體技術發展和在國民經濟發展中的作用整體技術：菌種、產品分離、產品質量、節能減排、先進裝備技術、…大宗發酵產品急需新技術,降低生產成本,提高市場競爭能力生物能源等可持續發展的戰略需求已經提到議事日程發酵過程優化的基礎與應用技術研究發酵過程研究的工程學理論基礎

───為解決過程優化關鍵技術提供基本方法和理論工程學方法現象與問題：發酵過程是一個高度復雜的生命過程系統，細胞內成千上萬個基因、代謝物和反應器的混合傳遞方法特征；不同的空間尺度和時間尺度的基因、細胞代謝、反應器混合傳遞等網絡；網絡間存在物質流、能量流、信息流等多輸入多輸出關系工程學方法：基于宏觀動力學研究的工程學方法的局限性提出發酵過程復雜系統多尺度參數相關分析理論與方法（2002年）生物反應器——典型的具有時空多尺度結構的復雜系統

反應器內的濃度場、溫度場、速度場分布顆粒團聚、氣泡聚并顆粒聚團內的菌體細胞細胞內代謝網絡基因DNA、RNA網絡反應器細胞代謝基因水平

空間尺度基因水平的分子尺度屬于納尺度范圍，一般在10-9m以下細胞屬于微尺度范圍，在10-8-10-4m反應器屬于介尺度范圍，在10-3-102m

-6-4-20246[s]logtime酶濃度變化質量作用變構控制m-RNA控制種群選擇進化微生物和細胞在酶活性水平上（包括酶的激活、抑制、亞基的結合和解離、共價修飾和降解）控制的時間常數描述在ms至s的范圍內基因表達調控水平上（誘導、阻遏）描述至min細胞生長由小時至天為單位種群選擇和進化水平上則描述至更大的單位時間尺度呈網絡多輸入多輸出關系不是簡單的統計熱力學關系網絡結構表現在不同尺度的網絡狀態的互動關系───多輸入多輸出關系能量流、物質流、信息流生命屬性所特有的時空串聯反應關系微生物代謝流───網絡研究的的核心問題紅霉素頭孢菌素C維生素B12阿維菌素重組植酸酶……新工藝新裝置應用與推廣流場特性研究（CFD、PIV）創新點3過程放大代謝機制(微觀)(組學、酶、代謝譜、13C）創新點2過程優化生理特性(宏觀)(OUR、CER、RQ)傳感器、軟件包、反應器設計創新點1過程信息與裝置技術內容與創新點研究對象總體思路提出發酵過程復雜系統多尺度參數相關分析理論與方法（2002年）──發酵過程研究的工程學理論基礎參數檢測配置示意圖在2000年上海國際工業博覽會上展出的FUS-50L(A)發酵罐軟件設計數據處理功能BlORADAR。在線檢測參數實驗室手工測定參數間接參數(代謝流特征或工程特征)適應多種反應器特點融合多種過程理論和控制理論工藝分析與操作遠程通訊與異地數據傳送和分析

DO-發酵液中溶解氧濃度、OUR-菌體代謝耗氧速率、CER-二氧化碳釋放速率、RQ-呼吸商-代謝途徑、KLa-生物反應器中氧傳遞速率、pH酸堿度、菌體濃度、…等40多個參數

9-25小時之間RQ呈低谷狀必需限制補葡萄糖

關鍵共性技術與促進行業技術進步

發酵過程研究新技術

代謝流研究高通量菌種篩選小試(50L)中試(3m3、10m3)生產規模(160m3/300m3)微觀代謝流分析跨尺度相關分析和差異分析宏觀代謝流分析傳感系統/數據分析系統擴展計算流體力學研究代謝譜轉錄譜計算、發酵罐設計驗證、代謝流研究驗證、代謝流研究計算、發酵罐設計常規育種基因工程改造系統生物學可提供的共性關鍵技術多尺度參數相關過程優化研究技術菌體細胞生理特性的恒化器技術研究流場特性與生理特性研究相結合過程放大技術過程宏觀代謝流、傳感器配置與在線數據處理技術發酵過程計算機數據處理與控制軟件包生物反應器CFD流場特性研究穩定性13C微觀代謝流測定技術發酵過程蛋白譜研究技術發酵過程轉錄譜與基因芯片技術研究菌種基因工程改造與系統生物學合成生物學研究技術菌種高通量篩選基于發酵過程數據處理局域網與數據庫建設以代謝流研究為核心的高級發酵罐大容量數據采集的中試發酵系統5L臺式發酵罐系列帶pH測量與補料控制的搖床菌種高通量篩選裝置大型發酵罐制造技術大規模動物細胞培養生物反應器系列尾氣質譜儀在線顯微觀察儀活細胞生物量傳感器實驗室研究與工業規模生產裝置系統用于優化的小試裝置發酵車間設計實驗室裝置計算機數據采集中試系統大型發酵罐制造數據處理軟件包中央控制系統生物過程先進傳感技術

（儀器儀表聯盟首批支撐項目）(1)

尾氣在線質譜技術(3)

在線顯微觀