第十章：《發(fā)酵工程技術(shù)展望》

發(fā)酵工程精品課程http:///jpkc/fjgc華東理工大學·生物工程學院

《發(fā)酵工程技術(shù)展望》《發(fā)酵工程技術(shù)展望》張嗣良國家生化工程技術(shù)研究中心（上海）2005.2http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》一、商品化生物反應(yīng)器二、生物過程工程理論的發(fā)展三、過程生物技術(shù)的進展四、基于信息處理的生物過程檢測與控制內(nèi)容http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器一、商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器1.生物反應(yīng)器產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品特點2.發(fā)酵過程傳感、計算機與控制技術(shù)3.過程放大技術(shù)的應(yīng)用4.裝備制造與設(shè)計技術(shù)的進步5.一些重要的生物反應(yīng)器產(chǎn)品http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器產(chǎn)值不大作用大：支撐技術(shù)產(chǎn)品多樣性：不同細胞、不同工藝、不同規(guī)模生物過程優(yōu)化與放大技術(shù)：活細胞生物技術(shù)發(fā)展要求性能更高的生物反應(yīng)器產(chǎn)品型號更新?lián)Q代與部件技術(shù)研究：綜合技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)的標準化、規(guī)范化：技術(shù)難度大高品質(zhì)的售后技術(shù)支持：過程優(yōu)化與放大http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器傳感器：DO、pH、排氣成份分析系統(tǒng)、培養(yǎng)液成分、細胞狀態(tài)……、其他常用熱工傳感器、……計算機控制系統(tǒng)：單片智能、工控機、pLC

、現(xiàn)場總線、DCS……執(zhí)行器件：各式手動與自動閥門、特殊閥門、杯式補料系統(tǒng)參數(shù)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(diào)節(jié)（手控或自控）；DO與轉(zhuǎn)速、通氣流量程序串級調(diào)節(jié)……2.發(fā)酵過程傳感、計算機與控制技術(shù)http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器嵌入式單片計算機系統(tǒng)http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器生產(chǎn)車間計算機控制室http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器杯式補料系統(tǒng)執(zhí)行器件http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器溫度傳感器、耐高溫pH和溶氧（DO）傳感器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器通氣質(zhì)量流量計http:///jpkc/fjgc▲壓力傳感器▼電子秤《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器新傳感技術(shù)http:///jpkc/fjgc

蠕動泵補料測量與控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)：流速調(diào)整幅度大(從0.1ml/h-5L/h)，可變速蠕動泵，占空比可調(diào)整的開關(guān)控制。《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc全罐電子秤稱重系統(tǒng)《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器新傳感技術(shù)`http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器數(shù)字式尾氣氧和二氧化碳分析儀http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器發(fā)酵車間安裝的質(zhì)譜儀http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器流動注射分析系統(tǒng)(FIA)http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器在線HPLChttp:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器用于過程分析的在線紅外分析儀http:///jpkc/fjgcTheoryofDielectrics-

TheBasicsofDielectricTheory

twoouterpinsproducearadiofrequencyelectricfieldtwoinnerpinsmeasurethevoltage.《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器靜態(tài)和動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)識別自適應(yīng)控制專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)各種混沌現(xiàn)象的研究數(shù)學模型現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器幾何相似流體運動學相似流體動力學相似因次分析法經(jīng)驗法則法數(shù)學模擬法時間常數(shù)法3.過程放大技術(shù)的應(yīng)用http:///jpkc/fjgc計算流體力學《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器4.裝備制造與設(shè)計技術(shù)的進步標準化、規(guī)范化IS09001管理，提供合符用戶要求及質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品；制造過程：如材料、焊接、表面處理、零部件機加工、…、直到安裝流程工藝；關(guān)鍵部件的技術(shù)進步及質(zhì)量管理：如有關(guān)傳感器、空氣過濾器、閥件、管道及配件；符合GMP標準的生物反應(yīng)器以及一些新技術(shù)的應(yīng)用：如SIP自動滅菌、CIP自動清洗、機械密封、排氣處理、取樣處理等。http:///jpkc/fjgc蜂窩夾套的鼓脹成型●激光焊接鼓脹成型蜂窩夾套加工時再用水壓鼓脹成型先激光焊接《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc使用SLWF2005型數(shù)控激光焊機，其激光器是國際上著名的ROFIN-SINAR公司產(chǎn)品。

ROFIN激光器

激光焊機控制系統(tǒng)

激光焊機床激光焊噴頭激光焊機控制系統(tǒng)

《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器5.一些重要的生物反應(yīng)器產(chǎn)品進展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器5-10升實驗室臺式發(fā)酵罐

（嵌入式單片計算機系統(tǒng)）http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器帶pH測控與補料控制的搖床http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器發(fā)酵中試數(shù)據(jù)處理系http:///jpkc/fjgc大型攪拌發(fā)酵罐設(shè)計制造《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器大型空氣壓縮機180M3發(fā)酵罐車間http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器大規(guī)模動物細胞生物反應(yīng)器由于細菌等原核細胞表達系統(tǒng)在轉(zhuǎn)錄及修飾方面的缺陷許多重要價值的蛋白質(zhì)（基因工程藥物、疫苗、抗體等）糖基化的需要哺乳類動物細胞表達系統(tǒng)當前生產(chǎn)高附加值的糖基化活性蛋白醫(yī)藥產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》商品化生物反應(yīng)器動物細胞反應(yīng)器http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展二、生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展發(fā)酵過程是以微生物反應(yīng)為核心的，有很多過程環(huán)節(jié)參與的綜合結(jié)果，整個過程貫穿著以"速率"為內(nèi)容的基礎(chǔ)研究與化學工程相結(jié)合形成了生化工程在已提供高產(chǎn)菌株的基礎(chǔ)上，如何把這些高產(chǎn)菌種在培養(yǎng)過程中進一步考察它的生理生化特性，穩(wěn)定或改進微生物反應(yīng)工藝過程，這里要求對生物物性的動態(tài)有詳盡的了解，對生化反應(yīng)做定量的和動力學方面的考察發(fā)酵工程的主要問題

過程優(yōu)化與放大http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展───形成了經(jīng)典的以動力學為基礎(chǔ)的工程學概念生物反應(yīng)工程：它涉及二方面的內(nèi)容，即宏觀微生物反應(yīng)動力學和生物反應(yīng)器工程。其中反應(yīng)器工程是指包括影響微生物反應(yīng)宏觀動力學的生物反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)、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(fā)酵過程是在生物反應(yīng)器中進行，因此，從實用意義出發(fā)，人們重視一定反應(yīng)器內(nèi)檢測到的反應(yīng)速率即總反應(yīng)速率及其影響因素，這就是宏觀動力學研究。動力學與反應(yīng)器工程本征動力學：即沒有在生物反應(yīng)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(yīng)的固有反應(yīng)速率。http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展───形成了經(jīng)典的以化學計量學和熱力學研究為基礎(chǔ)的發(fā)酵工程生物學從工程學角度研究對生長反應(yīng)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(shù)據(jù)。例如胞內(nèi)反應(yīng)中分解代謝、合成代謝和大分子物質(zhì)合成之間的物質(zhì)和能量的關(guān)系。要經(jīng)過1000多步胞內(nèi)反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物和細胞成分，我們不可能對這些反應(yīng)進行一一定量的計算

微生物生長和反應(yīng)過程研究必須從基質(zhì)進入細胞，胞內(nèi)反應(yīng)，代謝產(chǎn)物的胞內(nèi)外分泌等全過程進行分析http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展缺乏以細胞代謝流分析與控制為核心的研究內(nèi)容經(jīng)典的以動力學為基礎(chǔ)的工程學概念經(jīng)典的以化學計量學和熱力學研究為基礎(chǔ)的發(fā)酵工程生物學測量參數(shù)及其變化的意義缺乏理解最佳工藝控制點為依據(jù)的靜態(tài)操作方法，只是化學工程宏觀動力學概念在發(fā)酵工程上的簡單延伸http:///jpkc/fjgc仍舊局限于尋求培養(yǎng)基配方和最佳的溫度、pH、DO等缺乏微觀的實時的代謝調(diào)控代謝調(diào)控研究代謝工程研究發(fā)酵過程酶學研究的困難過程數(shù)據(jù)采集和處理的困難發(fā)酵工藝優(yōu)化研究的基本思路發(fā)酵罐單一生理調(diào)控制，缺乏全局性的概念《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展背景發(fā)酵過程優(yōu)化與放大仍是一個令人困惑的問題？對于活體細胞調(diào)控來說，采用傳統(tǒng)的生物學方法或化學工程的調(diào)控方法，存在很大的問題，國內(nèi)外都沒有很好解決。http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展(1).宏觀代謝流：http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展生物反應(yīng)器細胞生長細胞代謝物質(zhì)流與生物反應(yīng)器物料流變化的相關(guān)性http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展細胞生長Xm(cp)Pco2P細胞水平的代謝動力學SUROURHERH+CERPPR傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器物料流反饋控制

必需高度重視代謝流及其對反應(yīng)器的影響產(chǎn)物與代謝流有關(guān)不同層次反應(yīng)的關(guān)聯(lián)方法(IFB)葡萄糖氮源前體油rpmFH+熱(MVS)SFROTRHTRH+FR反應(yīng)器混和與傳遞常規(guī)控制器生物反應(yīng)器sDO剪切TpH(EVs)(PVs)細胞代謝物質(zhì)流與生物反應(yīng)器物料流變化的相關(guān)性http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展線性或擬線性關(guān)系的數(shù)學摸型發(fā)酵生產(chǎn)完整過程發(fā)酵過程參數(shù)趨勢曲線相關(guān)數(shù)學模型、靜態(tài)和動態(tài)優(yōu)化、系統(tǒng)識別、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、各種混沌現(xiàn)象的研究困難動態(tài)性不可預(yù)測性跨尺度觀察復(fù)雜性多容量過程高度非線性數(shù)據(jù)驅(qū)動型方法http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展FUS-50L(A)發(fā)酵罐的研制以生物反應(yīng)器中的觀點，在實驗室規(guī)模發(fā)酵罐，具有十四個以上發(fā)酵過程在線參數(shù)檢測或控制。物料流檢測http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)在線參數(shù)檢測配置示意圖http:///jpkc/fjgc在2000年上海國際工業(yè)博覽會上展出的FUS-50L(A)發(fā)酵罐《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc軟件設(shè)計數(shù)據(jù)處理功能BlORADAR。在線檢測參數(shù)實驗室手工測定參數(shù)間接參數(shù)(代謝流特征或工程特征)適應(yīng)多種反應(yīng)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(shù)據(jù)傳送和分析《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展

DO-發(fā)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(yīng)器中氧傳遞速率、pH酸堿度、菌體濃度、…等40多個參數(shù)

9-25小時之間RQ呈低谷狀必需限制補葡萄糖http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展基因工程人血清白蛋白(rh-SA)趨勢曲線圖

50L實驗室：700mg/L7g/L，放大到500Lhttp:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展慶大霉素發(fā)酵

OUR:20~30mol/h.m3http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展金霉素發(fā)酵

OUR:30~40mol/h.m3http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展泰洛菌素發(fā)酵

OUR:40~50mol/h.m3http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展鳥苷發(fā)酵

OUR:40~50mol/h.m3http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展青霉素

(200h)

OUR:50~70mol/h.m3http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展基因工程植酸酶發(fā)酵

OUR:150~200mol/h.m3http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展基因工程畢赤酵母發(fā)酵（瘧疾疫苗）

OUR:200~300mol/h.m3http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展應(yīng)用之一傳統(tǒng)微生物發(fā)酵初級代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物基因工程菌高密度高表達大腸枯草酵母發(fā)酵過程優(yōu)化http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展不同發(fā)酵產(chǎn)品的過程優(yōu)化與放大結(jié)果發(fā)酵產(chǎn)品國際水平原水平提高后水平放大規(guī)模水平 青霉素 6.5萬u/ml4.5萬u/m6.3萬u/ml3M3放大到120M3 國內(nèi)領(lǐng)先

紅霉素 8000--1萬u/m5000u/ml8400u/ml15L放大到50M3 國際先進 飼料金霉素23萬u/ml1.6萬u/ml2.1萬u/ml50L放大到120M3

國內(nèi)領(lǐng)先 (110小時)(110小時)(110小時)鳥苷 50g/L16g/L32g/L60L放大到100M3產(chǎn)率

(100小時)(50小時)(50小時)國際先進肌苷 90g/L25g/L35g/L50L放大到50M3國內(nèi)領(lǐng)先 (90小時) (50小時)(50小時) 基因工程7-10g/L700mg/L7g/L50L放大到500L 國內(nèi)領(lǐng)先白旦白 基因工程70mg/L2.6g/L 50L 國際領(lǐng)先瘧疾疫苗 http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展應(yīng)用之二工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵罐系統(tǒng)的設(shè)計與制造

生理代謝參數(shù)相似的放大原則，并不能代表大型發(fā)酵罐的幾何結(jié)構(gòu)和動力結(jié)構(gòu)等可設(shè)計參數(shù)的確定。http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展罐體結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計例如根據(jù)OUR、KLa以及所選用的攪拌槳特性測算不同發(fā)酵罐規(guī)模所需的攪拌功率研究；根據(jù)OUR與菌體細胞剪切適應(yīng)量選擇不同規(guī)模發(fā)酵罐的攪拌器形式、轉(zhuǎn)速或其他結(jié)構(gòu)的研究；動物細胞反應(yīng)器;攪拌器的混和與剪切特性的冷態(tài)研究，計算流體力學的應(yīng)用研究；H/D設(shè)計原理；http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展大型發(fā)酵罐高功率攪拌器的加工與動平衡研究，以及傳動裝置技術(shù)和整體罐結(jié)構(gòu)設(shè)計研究；根據(jù)耗氧率進行發(fā)熱量估計及傳熱面積的研究：不同傳熱結(jié)構(gòu)（夾套、蛇管、半園管和激光焊接膨脹型蜂窩夾套）的傳熱效果、強度、無菌性能和造價研究；http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展激光焊接膨脹型蜂窩夾套http:///jpkc/fjgc生物反應(yīng)器計算流體力學的應(yīng)用《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展

改進后的性能液體速度分布圖

采用計算流體力學對轉(zhuǎn)速100rpm,通氣速度為1vvm,100M3的發(fā)酵罐進行了流動場預(yù)測

(灰黃霉素)

改進前的性能

http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展

改進前的性能

改進后的性能空氣體積分布云圖

http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展溶氧（DO）控制與菌體成團就成為一對生物反應(yīng)器設(shè)計與控制的主要矛盾工業(yè)應(yīng)用的放大技術(shù)研究

以多尺度的觀點，采用計算流體力學對生物反應(yīng)器進行流型仿真計算流體力學在阿維菌素發(fā)酵過程優(yōu)化中的應(yīng)用http:///jpkc/fjgc2T發(fā)酵120hr搖瓶發(fā)酵142hr搖瓶種子搖瓶發(fā)酵22hr搖瓶發(fā)酵118hr2T種子2T發(fā)酵35hr50T發(fā)酵12hr50T發(fā)酵38hr50T發(fā)酵129hr50T種子《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展

改進前的性能

改進后的性能液體剪切速率分布云http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展氣升式生物反應(yīng)器沒計http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展動物細胞反應(yīng)器主要技術(shù)特點動物細胞無細胞壁，對營養(yǎng)要求嚴格對pH、溶氧、溫度、剪切應(yīng)力、抗污染等環(huán)境因子的高敏感性懸浮細胞、無血清培養(yǎng)實現(xiàn)動物細胞生化反應(yīng)器的大型化、自動化和精巧化http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展攪拌槳設(shè)計http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展──工程學方法(2)復(fù)雜系統(tǒng)多尺度觀點的應(yīng)用http:///jpkc/fjgc生物反應(yīng)器

——典型的具有時空多尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)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(nèi)的菌體細胞細胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)基因DNA、RNA網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)器細胞代謝基因水平《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展基因水平的分子尺度屬于納尺度范圍，一般在10-9M以下細胞代謝屬于微尺度范圍，在10-8-10-4M反應(yīng)器工程屬于介尺度范圍，在10-3-102M

空間尺度http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展-6-4-20246[s]logtim酶濃度變化質(zhì)量作用變構(gòu)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(jié)合和解離、共價修飾和降解）控制的時間常數(shù)描述在ms至s的范圍內(nèi)基因表達調(diào)控水平上（誘導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄的抑制和去抑制）描述至min細胞內(nèi)酶的濃度變化與菌體生長由小時至天為單種群選擇和進化水平上則描述至更大的單位時間尺度http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展經(jīng)典的以動力學為基礎(chǔ)的工程學概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性變化的非線性特征具有“變化著的結(jié)構(gòu)”

由于不同尺寸的邊界條件難以區(qū)分，甚至還未能發(fā)現(xiàn)，就造成系統(tǒng)結(jié)果的差異或最優(yōu)過程的嚴重偏離http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展

跨尺度觀察與操作工業(yè)規(guī)模的生物過程只能在反應(yīng)器尺度上進行測量與操作可以從低一尺度層次的規(guī)律或性質(zhì)，來預(yù)測研究另一尺度層次的規(guī)律或性質(zhì)http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展應(yīng)用例子之一新型食品添加劑呈味核苷酸二鈉生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化研究http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展參數(shù)相關(guān)分析與狀態(tài)方程建立通過鳥苷發(fā)酵過程的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)：4040小時OUR下降，耗糖速率增加，氨氮用量增加

鳥苷產(chǎn)率迅速下降──代謝流遷移http:///jpkc/fjgc生物反應(yīng)器：測量觀察值多尺度：細胞代謝流？《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展w狀態(tài)方程建立與系統(tǒng)識別

http:///jpkc/fjgc關(guān)鍵技術(shù)17種氨基酸的時序變化

紙層析分析有機酸的積累

實測結(jié)果：代謝流分析35小時：丙酮酸、丙氨酸積累《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)磷酸果糖激酶

磷酸葡萄糖脫氫酶

丙酮酸激酶

檸檬酸合成酶

丙氨酸脫氫酶

代謝途徑遷移的酶學測試

───HMP途經(jīng)→EMP途經(jīng)http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》關(guān)鍵技術(shù)生物過程工程理論的發(fā)展代謝網(wǎng)絡(luò)的代謝反應(yīng)式

代謝方程組

在線檢測通氣流量、發(fā)酵液體積、排氣氧和二氧化碳濃度離線常規(guī)分析菌體、葡萄糖和產(chǎn)物濃度HPLC測定乙酸、檸檬酸和丙酮酸等有機酸濃度HPLC測定丙氨酸等17種氨基酸濃度化學計量學方法的代謝流研究http:///jpkc/fjgc關(guān)鍵技術(shù)《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展不同時間代謝流分布

HMPEMP丙氨酸代謝流：HMP→EMP→丙氨酸http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)跨尺度分析與工藝改進

確定以代謝流由EMP向HMP途徑回復(fù)遷移為目標進行過程工藝優(yōu)化，并以O(shè)UR的下降作為跨尺度操作的相關(guān)因子發(fā)現(xiàn)調(diào)控因子A加入后短期內(nèi)OUR的下降速度就開始放慢，到48小時開始維持穩(wěn)定直至放罐，并且發(fā)酵后期的糖耗速率也變慢http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)小試與中試規(guī)模：

17.2克/L→34克/L(60小時)100M3生產(chǎn)規(guī)模：

16克/L→32克/L(60小時)

工藝改進后實施效果http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展本項目完成后的

市場競爭紀要2001年5月廣東星湖公司恢復(fù)生產(chǎn)2001年7月，日方提出就“價格回升問題”進行談判，星湖公司拒絕了日方談判要求。2001年底星湖控制了中國市場，日方退出。20O2年價格回升，星湖開始創(chuàng)利目前價格已達17.5萬元/噸2003年實施擴產(chǎn)計劃，走向國際市場http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展效益與意義100M3工業(yè)規(guī)模發(fā)酵罐上發(fā)酵水平從17.2g/L提高27g/L產(chǎn)量二次擴產(chǎn)為原來的300%I+G市場價格由原來的超低價回復(fù)到較正常的價格年度新增產(chǎn)值

(萬元)新增利潤

(萬元)新增稅收

(萬元)新增利稅

(萬元)

2001

3129

2002

7281

3450

1725

5175

2003年1-4月

5020

2040

680

2720合計

15430

5490

2405

7895http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展獲獎情況

2003年上海市科技進步一等獎2004年國家科技進步二等獎http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)鳥苷生產(chǎn)菌中嘌呤核苷合成途徑三段基因序列的分析

嘌呤核苷生物合成與對應(yīng)的基因操縱子http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展Genebank關(guān)鍵技術(shù)分別從下列四個菌株中用PCR拉出上述序列：野生型枯草桿菌（160）低產(chǎn)型肌苷生產(chǎn)菌7191（161）目前肌苷生產(chǎn)菌（162）目前鳥苷生產(chǎn)菌（163）http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)果肌苷和鳥苷生產(chǎn)菌在54位（以翻譯起始點為1計）缺失了一個A，因此將導(dǎo)致以下的所有序列發(fā)生移碼突變，所編碼的sAMP合成酶失活，致使AMP合成支路受阻，有利于肌苷和鳥苷的積累?？赡苁菍?dǎo)致生產(chǎn)菌株產(chǎn)苷水平升高的一個重要原因。http:///jpkc/fjgc(A)PurR

dimer.Themonomersarecoloredaccordingtofunction(Ntermini,HTHmotifs,andwingsinblue;hoodsincyan;PPiloopsingold;flexibleloopsinred;andPRPPmotifsinpurple).Otherregionsaregreeninonemonomerandgrayintheotherandaresemitransparenttoaidinviewingthehighlightedregions.Inthisview,thedimerdyadaxisisverticalandintheplaneofthepage.SulfateionsandaHEPESbuffermoleculearerenderedasbondscoloredbyatomictype(C,yellow;O,red;N,blue;andS,green).(B)PurRmonomer.ThestereoribbondiagramiscoloredasthegraysubunitinpanelA.Secondarystructuresarelabeled.SulfateionsareshownasinpanelA.Residues163to167and275to285arenotdisplayed,astheyaredisordered.阻遏蛋白PurR的三級結(jié)構(gòu)《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgcModelforPurR-DNAbinding.TwoPurR

dimers(lightgray)bindaDNA(darkgray)containingtwoPurBoxes.Accordingtothismodel,eachPurBoxisrecognizedbytheconserved,positivelychargedsurfaceofawinged-helixdimer.PurR

dimer-dimercontactsarelikethecrystallatticecontactseeninbothPurRcrystalforms.AnAtrackattheouteredgeofthestrongPurBoxkinkstheDNA,therebyallowingcontactwiththepositivelychargedsurfaceofthePRTdomainandwiththeconserved,positivelychargedsurfacesurroundingthePRPPsite(topofthelabeleddimer).《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgcNucleotidesequenceofthepur

operoncontrolregionfromB.subtilis.Thewild-typenucleotidesequenceisshownfromposition-177toposition+24withrespecttothesiteoftranscriptioninitiation(+1).ThePurBoxesareshaded.《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》生物過程工程理論的發(fā)展菌種不變良好的遺傳背景(sAMP)反應(yīng)器操作主流代謝流遷移16克/L→30克/L主流代謝遷移對生物合成的影響除了生物合成基因外，還存在其他影響產(chǎn)物形成的基因和因素這個基因的表型是受環(huán)境條件的影響選擇合理的（生物合成和其他）基因塔配和生物反應(yīng)器操作

過程優(yōu)化問題?http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展三、過程生物技術(shù)的進展http:///jpkc/fjgc(1)組學研究技術(shù)平臺基因組學生命網(wǎng)絡(luò)的零件轉(zhuǎn)錄組學生命網(wǎng)絡(luò)的零件蛋白質(zhì)組學生命網(wǎng)絡(luò)的零件代謝組學生命網(wǎng)絡(luò)的零件相互作用組學生命活動的途徑、網(wǎng)絡(luò)和模塊表型組學生命活動的表征計算生物學生命活動的數(shù)學模型與預(yù)測《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展http:///jpkc/fjgc(2)系統(tǒng)生物學

二十一世紀的生命科學《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展整體性研究為特征的一種大科學

生物科技的發(fā)展正在以“結(jié)構(gòu)基因組學→功能基因組學（蛋白質(zhì)組學）→系統(tǒng)生物學(systembiology)→合成生物學(syntheticbiology)”路徑模式快速演進。http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展生物過程工程系統(tǒng)生物學研究可以對環(huán)境參數(shù)與細胞的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組等不同層級的參數(shù)進行直接的，機制性的，理性的，全域性的關(guān)聯(lián)http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展生物過程系統(tǒng)生物學研究的重要特點我們所研究的復(fù)雜程度與目前已掌握知識的局限性?！白陨隙隆钡难芯浚€是“自下而上”的研究；“整體”研究還是“局部”研究。http:///jpkc/fjgc自上而下自下而上菌種菌種生產(chǎn)生產(chǎn)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???系統(tǒng)生物學從完整的系統(tǒng)開始，將某分解成多個組成部分及相互作用，但全部成分和相互作用還設(shè)有被我們完全了解

現(xiàn)有研究方法將所有已知組成以及相互作用組合起來建立一個系統(tǒng)模型。《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展“數(shù)據(jù)超載”───

現(xiàn)代科學技術(shù)研究結(jié)果的普遍現(xiàn)象。

反復(fù)推敲問題性質(zhì)以及解決問題的途徑，要求在“正常”和“非正?！鼻闆r下對問題進行對照摸索?；痉椒?/p>

http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展基于信息處理的生物過程檢測與控制數(shù)據(jù)→信息→知識：數(shù)據(jù)的簡化和歸一化，將信息轉(zhuǎn)化為知識就需要我們理解數(shù)據(jù)的真正含義，以及它是如何與所要解決的問題聯(lián)系在一起的。http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展生物過程的信息處理與控制系統(tǒng)Fig.3Modelingisakeytoolforlinkingthemonitoringandcontrolofbiologicalsystems(Carl-FredrikMandenius

，BioprocessBiosystEng(2004)26:347–351)http:///jpkc/fjgc生命科學測定技術(shù)與分析儀器

──重要的過程檢測參數(shù)基因組學測序技術(shù)轉(zhuǎn)錄組學基因芯片代謝組學HPLC相互作用組學酵母雙雜交蛋白組學2D電泳時間飛行質(zhì)譜雙鏈DNA芯片關(guān)聯(lián)分析《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展───發(fā)酵工程研究的生物學重要基礎(chǔ)發(fā)酵過程系統(tǒng)生物學研究的宏觀差異分析法發(fā)酵過程中采用基于發(fā)酵過程參數(shù)相關(guān)的方法酶和調(diào)控因子的差異蛋白質(zhì)組學基因水平上采用基因芯片的代謝譜整合法──

精細工程（PrecisionEngineering）http:///jpkc/fjgc(3)雙組分系統(tǒng)（TCS）信號傳導(dǎo)蛋白包含多種結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域都是模塊化的，它們能以各種各樣的方式組織起來，構(gòu)建大量的信號傳導(dǎo)回路。

《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展http:///jpkc/fjgc基因組環(huán)境組轉(zhuǎn)錄組蛋白組代謝組基因操作過程優(yōu)化TCS調(diào)控網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展對今后研究的影響宏觀與微觀的聯(lián)系揭示過程的本質(zhì)實現(xiàn)過程優(yōu)化與放大http:///jpkc/fjgc組學研究在細胞過程中的應(yīng)用細胞過程關(guān)聯(lián)分析

RNA樣本轉(zhuǎn)錄譜分析蛋白樣本蛋白譜分析

代謝物樣本

代謝譜分析

代謝調(diào)控基因

精細代謝過程改造菌種多尺度過程參數(shù)相關(guān)分析

優(yōu)化環(huán)境因子《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展http:///jpkc/fjgc《發(fā)酵工程技術(shù)展望》過程生物技術(shù)的發(fā)展系統(tǒng)方法研究細胞培養(yǎng)過程的優(yōu)點：代謝工程與過程工程的統(tǒng)一過程與系統(tǒng)的統(tǒng)一過程優(yōu)化與菌種改良的統(tǒng)一過程參數(shù)與分子調(diào)控的統(tǒng)一反應(yīng)器系統(tǒng)與細胞系統(tǒng)的統(tǒng)一表型研究中環(huán)境與基因組的統(tǒng)一http:///jpkc/fj