1、本本章章的的多多尺尺度度理理论论发发酵酵过过程程优优化化与与放放大大基基础础发发酵酵过过程程优优化化控控制制中中的的方方法法和和手手段段发发酵酵过过程程优优化化控控制制举举例例 仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pHpH、DODO等等 缺乏微观的实时的代谢调控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发酵工艺优化研究的基本思路的基本思路发酵罐单一生理调控机制，单一生理调控机制，缺乏全局性的概念缺乏全局性的概念背景和原理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发酵
2、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、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动态性不可预测性不可预测性多参数趋势曲线相关多参数趋势曲线相关区分三个水平区分三个水平(尺度尺度)问题问题生物反应器的传递与混和生物反应器的传递与混和细胞代谢流的迁移细胞代谢流的迁移不同环境条件下的代谢动力学特征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因水平的启动与表达物料流检测物料流检测专门用于发酵过程优化与放大专门用于发酵过程优化与放大研究用的研究用的F
3、US-50L(A)FUS-50L(A)发酵罐发酵罐软软件件设设计计数据处理数据处理功能功能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和和工工程程尺尺度度的的反反应应特特性，性，并并通通过过分分析析而而加加以以区区分分不不同同尺尺度度的的问问题；题；可可以以了了解解发发酵酵过过程程各各参参数数之之间间的的多多样样性、性、时时变变形、形、相相关关耦耦合合性性和和不不确确定定性，性，了了解解复复杂杂的的发发酵酵过过程程通通过过参参数数的的检检测，测，可可进进一一步
4、步优优化化发发酵酵工工艺，艺，最最终终提提高高产产品品的的生生产产产产量。量。转速转速，气泡，气泡，气液接触表面积，气液接触表面积，KLa，OTROUR，DO下下降，降，引引起起D DO O水水平平的的变变化。化。培培养养液液粘粘度度的的变变化化也也会会引引起起溶溶解解二二氧氧化化碳碳C CO O2 2与与排排气气二二氧氧化化碳碳浓浓度度E EC CO O2 2的的差差异。异。轴轴向向流流桨桨叶叶所所持持留留的的微微气气泡泡与与快快速速增增长长的的菌菌体体形形成成气气溶溶胶胶现现象，象，结结构构性性粘粘度度严严重重影影响响培培养养液液的的混混和、和、传传递递特特性。性。搅搅拌拌转转速速 rpm
5、DOECO2EO2加糖加糖ECO2ECO2ECO2EO2EO2EO2DODODOrpmrpmrpmhhhh非碳源限制，临界氧浓度以下（变化不显著）碳源限制，临界氧浓度以下（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）OURDOrpm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)呼呼吸吸商商(R RQ)Q)变变耗耗氧氧代代谢谢不不同同的的耗耗氧氧代代谢谢途途径径间间的的差差异异表表征征不不同同的的基基质质利利用用情情况况基基质质还还原原性性强强与与弱弱的的差差异异DOOURCLCRpm DO DO 当低于临界氧当低于临
6、界氧浓度（浓度（)时，时，下降，细胞代谢由好下降，细胞代谢由好氧向厌氧途径迁移。氧向厌氧途径迁移。分子水平分子水平基因工程血红蛋白基因工程血红蛋白 hemoglobin(VHB)hemoglobin(VHB)对氧的亲和力提高（由图所示），临界氧下降对氧的亲和力提高（由图所示），临界氧下降。VHB16g/L 25g/L（盈亏持平）（盈亏持平）生物反应器：测量观察值生物反应器：测量观察值多尺度：细胞代谢流多尺度：细胞代谢流17 种氨基酸的时序变化种氨基酸的时序变化 纸层析分析纸层析分析有机酸的积累有机酸的积累 35小时：丙酮酸、丙氨酸积累小时：丙酮酸、丙氨酸积累磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶 磷酸葡萄糖
7、脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶 丙氨酸脱氢酶丙氨酸脱氢酶 代谢网络的代谢反应式代谢网络的代谢反应式 代谢方程组代谢方程组 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种氨基酸浓度不同时间代谢流分布不同时间代谢流分布 HMPEMP丙氨酸丙氨酸代谢流：代谢流：HMPEMP丙氨酸丙氨酸生理特性的状态估计生理特性的状态估计 菌体形态变化菌体形态变化 图像采集与处理图像采集与处理弯度大于弯度大于0.5 弯度大于弯度大于1.0 Genebank代谢流控制代谢流
8、控制工艺改进前后葡萄糖激酶时序变化00.020.040.060.080.10.1212h24h36h40h44h48ht/hA/min原工艺新工艺工艺改进前后磷酸果糖激酶的时序变化00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.0512h24h36h40h44h48ht/hA/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00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.0512h24h36h40h44h48ht/hA/min原 工 艺新 工 艺工艺改进前后丙氨酸脱氢酶的时序变化00.10.20
9、.30.412h24h36h40h44h48ht/h酶活力原 工 艺新 工 艺HMPEMPHPM/EMP丙氨酸丙氨酸Study on Industrial Fermentation Process on Multi-scale and Its Optimization,Advance Biochemical Engineering/Biotechnology,2003 Volume（87）:Biomanufacturing 2004年年3月出版月出版基因工程疟疾疫苗高密度高表达基因工程疟疾疫苗高密度高表达70mg/L2.6g/L70mg/L-2.6g/L华蒙金河生物技术有限公司的生产车间现场（
10、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。远程通讯与异地数据传送与分析远程通讯与异地数据传送与分析推广应用5000 u/ml 基因水平基因水平(Science,2001,293(5530):614)严紧响应严紧响应(stringent response)营养缺乏起动营养缺乏起动 终止RNA在胞内积累，(p)ppGpp的启动表达合成(p)ppGpp合成酶（严紧响应因子）合成酶（严紧响应因子）ppGpp pppGpp抗生素抗生素 菌丝分化菌丝分化DNAmRNA核糖体空载空载 tRNAtRNA(氨基酸缺乏)5黄豆饼粉的调控机制黄豆饼粉的调控机制 9至25小时，除作氮源外同时作为主要碳源使用 形成氨基酸等营养缺乏时的严紧响应，在翻译水平上进行调控，启动次级代谢 黄豆饼粉利用时间、与其它碳源的竞争性利用特点、补料策略、p H 控制、D O 控制等应从三个水平上进行综合考虑5000 u/ml 8200u/ml为多家企业的生物技术产业发展做出贡献
