(简)发酵过程参数相关分析(庄英萍).ppt

发酵过程参数相关分析原理及应用发酵过程参数相关分析原理及应用国家生化工程技术研究中心（上海）国家生化工程技术研究中心（上海）庄英萍庄英萍 ypzhuang@ypzhuang@ 精品课件主要内容主要内容发酵过程特性概述发酵过程特性概述发酵过程的参数分类及检测发酵过程的参数分类及检测理化相关理化相关生物相关生物相关应用举例应用举例下阶段工作展望下阶段工作展望精品课件发酵过程特性概述发酵过程特性概述生物反应器中基因、细胞和反应器不同尺度网络之生物反应器中基因、细胞和反应器不同尺度网络之间存在着以时间为坐标多输入多输出的互动关系间存在着以时间为坐标多输入多输出的互动关系表现在同一尺度下多过程的耦合，不同尺度下也往表现在同一尺度下多过程的耦合，不同尺度下也往往会有不同过程发生往会有不同过程发生多尺度的研究方法要求从一个尺度观察另一尺度现多尺度的研究方法要求从一个尺度观察另一尺度现象，即所谓跨尺度观察与控制，即可能提供在生物象，即所谓跨尺度观察与控制，即可能提供在生物技术研究中所没有发现的现象技术研究中所没有发现的现象研究尺度间相互作用和耦合的原则和条件，只有这研究尺度间相互作用和耦合的原则和条件，只有这样才能进一步分析不同尺度下的各种子过程之间的样才能进一步分析不同尺度下的各种子过程之间的相互量化关系，并与已知条件关联，构成描述复杂相互量化关系，并与已知条件关联，构成描述复杂系统的综合模型或描述。

系统的综合模型或描述精品课件发酵过程的特性发酵过程的特性发酵过程多以分批操作形式进行，随着细胞生长发酵过程多以分批操作形式进行，随着细胞生长和代谢过程的变化，各种测量参数（自动或手工和代谢过程的变化，各种测量参数（自动或手工实验室测定）随时间的变化而变化，通过对这些实验室测定）随时间的变化而变化，通过对这些变化进行研究，有可能获得对发酵工艺和过程控变化进行研究，有可能获得对发酵工艺和过程控制的有关认识，有利于发酵过程优化制的有关认识，有利于发酵过程优化有必要在计算机辅助下对过程进行时序性综合研有必要在计算机辅助下对过程进行时序性综合研究和分析究和分析通过这些趋势曲线可以看出检测参数的多样性、通过这些趋势曲线可以看出检测参数的多样性、时变性、相关耦合性和不确定性时变性、相关耦合性和不确定性精品课件代谢曲线对照精品课件常规发酵过程分析的缺陷性常规发酵过程分析的缺陷性分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。

差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程 ---- ----缺乏机理性认识，有局限性缺乏机理性认识，有局限性发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究提供了内容提供了内容 ---- ----强调参数各自的时序变化，缺乏数据时序强调参数各自的时序变化，缺乏数据时序变化之间的相关分析变化之间的相关分析精品课件发酵过程特性产生的原因发酵过程特性产生的原因随着菌体生长和基质消耗，过程状态随时间变化的，随着菌体生长和基质消耗，过程状态随时间变化的，因此测量参数的时变性反映了发酵过程的时变系统特因此测量参数的时变性反映了发酵过程的时变系统特征由于发酵过程多容量性和严重非线性特征，表现在过由于发酵过程多容量性和严重非线性特征，表现在过程测量参数的离散性，主要是细胞代谢对环境因子的程测量参数的离散性，主要是细胞代谢对环境因子的高度敏感性和细胞代谢的不可逆性，有时还表现在基高度敏感性和细胞代谢的不可逆性，有时还表现在基因水平的启动和表达的影响，输入的初始条件极细微因水平的启动和表达的影响，输入的初始条件极细微的差别会产生结果的巨大变化，即发酵过程混沌现象。

的差别会产生结果的巨大变化，即发酵过程混沌现象由于对上述现象缺乏认识，更无法控制，也就描述为由于对上述现象缺乏认识，更无法控制，也就描述为测量参数的不确定性，应加强有关生物学机理的认识，测量参数的不确定性，应加强有关生物学机理的认识，才能在产品的工业发酵生产上取得突破性进展才能在产品的工业发酵生产上取得突破性进展精品课件好氧生物反应器供氧情况变化引起的变化好氧生物反应器供氧情况变化引起的变化 当降低搅拌转速时，供氧速率（当降低搅拌转速时，供氧速率（OTROTR）下降必然引起溶解氧）下降必然引起溶解氧浓度（浓度（DODO）的下降，这是一个属于生物反应器系统中的过程）的下降，这是一个属于生物反应器系统中的过程传递和混和问题传递和混和问题 如果如果DODO下降到临界氧浓度以下时，就引起菌体呼吸强度下降到临界氧浓度以下时，就引起菌体呼吸强度的减弱，这实质上是氧成为限制性基质时的动力学行为的减弱，这实质上是氧成为限制性基质时的动力学行为 当当DODO继续下降，就可能产生厌氧代谢，代谢途径发生迁继续下降，就可能产生厌氧代谢，代谢途径发生迁移，甚至发生胞内酶体系的改变移，甚至发生胞内酶体系的改变 ─── ─── 发生反应体系的结发生反应体系的结构性变化。

构性变化 精品课件温度诱导的基因工程菌生长与表达温度诱导的基因工程菌生长与表达 当用当用λPL,CλPL,C启动子构建表达载体时，启动子构建表达载体时，PL,RPL,R启动子受启动子受λλ噬菌体噬菌体cIcI基因的负基因的负调控，调控，cIcI基因产生的阻遏蛋白结合基因产生的阻遏蛋白结合在操纵基因上，阻止转录的进行在操纵基因上，阻止转录的进行当在当在2828～～30℃30℃培养时，利用培养时，利用cIcI的温的温度敏感突变基因的突变体可以产生度敏感突变基因的突变体可以产生有活性阻遏蛋白，阻遏有活性阻遏蛋白，阻遏PL,RPL,R转录，转录，细菌大量生长细菌大量生长温度上升到温度上升到42℃42℃，，造成阻遏蛋白失活，造成阻遏蛋白失活，PL,RPL,R解除阻遏，解除阻遏，启动外源基因的高效转录和表达，启动外源基因的高效转录和表达，从而合成大量有价值的外源蛋白从而合成大量有价值的外源蛋白 精品课件参数曲线相关分析的优势参数曲线相关分析的优势从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲线相关有可能是某一尺度的线性或动力学行为，线相关有可能是某一尺度的线性或动力学行为，也可能是多尺度系统的结构性突变，因此用常也可能是多尺度系统的结构性突变，因此用常规的单一尺度模式有时就无法解释过程中发生规的单一尺度模式有时就无法解释过程中发生的许多现象。

的许多现象虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作量，但可以通过进一步分析，得到反映分子、量，但可以通过进一步分析，得到反映分子、细胞和反应器工程水平的不同尺度问题的联系，细胞和反应器工程水平的不同尺度问题的联系，从而实现跨尺度观察和跨尺度操作从而实现跨尺度观察和跨尺度操作精品课件参数相关耦合的定义参数相关耦合的定义参数耦合相关是指各种直接参数、间接参数参数耦合相关是指各种直接参数、间接参数以及实验室手工参数随着发酵过程的进行而以及实验室手工参数随着发酵过程的进行而变化，并且参数间发生某种耦合相关变化，并且参数间发生某种耦合相关这种参数相关是生物反应器中物料、能量或这种参数相关是生物反应器中物料、能量或信息传递、转换、以及平衡或不平衡的结果，信息传递、转换、以及平衡或不平衡的结果，其微观因素也许只是发生在基因、细胞或反其微观因素也许只是发生在基因、细胞或反应器工程水平的某一个尺度上，但最终会在应器工程水平的某一个尺度上，但最终会在宏观过程中有所反映，这就为我们研究生物宏观过程中有所反映，这就为我们研究生物反应器中不同尺度的数据关联分析方法提供反应器中不同尺度的数据关联分析方法提供了线索。

了线索精品课件发酵过程参数检测技术要求越来越高发酵过程参数检测技术要求越来越高微生物学微生物学生物化学生物化学分子生物学分子生物学发酵工艺学发酵工艺学化学工程化学工程现代控制理论现代控制理论各种工程开发各种工程开发参数检测参数检测(自动或手工检测自动或手工检测)综合性研究：综合性研究：定性和定量的描述定性和定量的描述工业生产工业生产————随着生物技术的快速发展，生化工程对传感技术、计随着生物技术的快速发展，生化工程对传感技术、计算机数据处理的要求越来越高，有望形成新的技术领域算机数据处理的要求越来越高，有望形成新的技术领域计算机计算机精品课件（一）、（一）、 发酵过程的参数分类及检测发酵过程的参数分类及检测直接参数直接参数 通过传感器通过传感器把非电量变化直接转化为电量变化把非电量变化直接转化为电量变化，，实时地送计算机数据采集物理参数、化学参数、实时地送计算机数据采集物理参数、化学参数、生物量参数就地测量生物量参数就地测量(in line)(in line)、测量（、测量（on on lineline）） 手工参数手工参数:取样后实验室手工测量参数，离线输入取样后实验室手工测量参数，离线输入。

间接参数间接参数:由一些直接参数计算得到的各种反映过程特性的由一些直接参数计算得到的各种反映过程特性的参数反映菌体代谢活性、反应器工程特性、反应参数反映菌体代谢活性、反应器工程特性、反应器操作特性等器操作特性等精品课件 直接参数直接参数 物理参数物理参数 化学参数化学参数精品课件生化反应过程中参数检测的复杂性生化反应过程中参数检测的复杂性 1)1)反应器上插入的传感器必须能耐热，经受高温灭反应器上插入的传感器必须能耐热，经受高温灭菌；菌；2)2)菌体以及其他固体物质极易吸附在传感器的表面，菌体以及其他固体物质极易吸附在传感器的表面，使一些传感器的使用性能受到影响；使一些传感器的使用性能受到影响；3)3)生物反应过程往往是耗氧的过程，故在反应器内生物反应过程往往是耗氧的过程，故在反应器内通气带来的气泡影响，往往对测量过程会造成干扰；通气带来的气泡影响，往往对测量过程会造成干扰；4 4）使用在反应器上的传感器，其结构必须防止杂）使用在反应器上的传感器，其结构必须防止杂菌进入和避免产生灭菌死角，因而使传感器结构复菌进入和避免产生灭菌死角，因而使传感器结构复杂或使其检测性能产生变化；杂或使其检测性能产生变化；5)5)生化反应过程中化学成分的分析往往是重要的检生化反应过程中化学成分的分析往往是重要的检测内容，但对其电信号的转换困难。

测内容，但对其电信号的转换困难 精品课件带有计算机系统的的生物反应器检带有计算机系统的的生物反应器检测参数示意图测参数示意图精品课件 间接参数间接参数精品课件几个重要的间接参数计算公式几个重要的间接参数计算公式精品课件（二）、（二）、 参数相关基本特性参数相关基本特性 各种直接参数、间接参数以及手工测定的实各种直接参数、间接参数以及手工测定的实验室参数随着发酵过程的进行而验室参数随着发酵过程的进行而变化，变化，并且参数间并且参数间发生某种耦合相关，这种参数相关反映了发酵过程发生某种耦合相关，这种参数相关反映了发酵过程多尺度（水平）的问题多尺度（水平）的问题特征 精品课件发酵过程检测参数的特性发酵过程检测参数的特性所检测到的参数均是动态平衡的结果所检测到的参数均是动态平衡的结果 检测参数检测参数 = = 供给供给 — — 消耗消耗残留基质浓度对代谢的影响残留基质浓度对代谢的影响限制性基质的概念限制性基质的概念精品课件代谢曲线一代谢曲线一发酵过程典型的代谢曲线发酵过程典型的代谢曲线精品课件发酵过程参数相关分类发酵过程参数相关分类•理化相关理化相关 纯属物质理化性质变化所引起的参数相关纯属物质理化性质变化所引起的参数相关•生物相关生物相关 生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间耦合相关参数之间耦合相关精品课件（三）、（三）、 理化相关理化相关纯属物质理化性质变化所引起的参数相关纯属物质理化性质变化所引起的参数相关 物理过程：物质或能量传递、混和、平物理过程：物质或能量传递、混和、平衡或不平衡衡或不平衡*传热（加热或冷却）传热（加热或冷却） ∽ ∽ 温度温度发酵过程中打开冷却水的阀门引起罐温的下降发酵过程中打开冷却水的阀门引起罐温的下降 化学过程：发生某些化学反应的结果化学过程：发生某些化学反应的结果*酸碱加入酸碱加入 ∽ ∽ ｐＨ，ｐＨ， 加入某种酸碱物质引起的加入某种酸碱物质引起的pHpH的变化的变化精品课件理化相关理化相关*搅拌转速、通气流量、罐压力搅拌转速、通气流量、罐压力 ∽ ∽ 溶解氧溶解氧 DO DO转速转速↑↑，气泡，气泡↑↑，气液接触表面积，气液接触表面积↑↑，，KLa↑KLa↑，，OTROTR〉〉OUROUR，，DO↑DO↑精品课件理化相关理化相关*通气流量通气流量 ∽ ∽ 排气二氧化碳（排气二氧化碳（ECOECO2 2 ) )*通气流量通气流量 ∽ ∽ 溶解二氧化碳（溶解二氧化碳（P PＣＯＣＯ２２）） ∽ ∽ｐＨｐＨ精品课件罐压测量与罐压测量与DODO值值常规测量与代谢流方法测量的差异常规测量与代谢流方法测量的差异精品课件*加油泡沫加油泡沫 ∽ ∽ ＣＥＲ，ＣＥＲ， 气泡破裂释放ＣＯ气泡破裂释放ＣＯ2 2理化相关（二）理化相关（二）精品课件理化相关理化相关*搅拌转速搅拌转速 ∽ ∽ ｐＨｐＨ CO CO2 2 释放后释放后pHpH变化变化*温度温度↓↓∽ DO ∽ DO 传感原理传感原理 ：：T T↓,↓,OUROUR↓,DO↑↓,DO↑精品课件理化相关的普遍特性理化相关的普遍特性*理化相关对不同细胞对象具有普遍性，理化相关对不同细胞对象具有普遍性，不因细胞生理活性的变化呈现不同的特不因细胞生理活性的变化呈现不同的特性。

性 要注意过程数据采集的非同步性引要注意过程数据采集的非同步性引起的误相关，特别要注意间接参数的变起的误相关，特别要注意间接参数的变化产生的对过程研究的误导化产生的对过程研究的误导精品课件（四）、生物相关（四）、生物相关生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间耦合生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间耦合相关，主要体现在二种方式：相关，主要体现在二种方式：其一，通过生物细胞生长代谢后引起的培养液物性的变化，进其一，通过生物细胞生长代谢后引起的培养液物性的变化，进而引起的参数相关而引起的参数相关精品课件菌体生长引起的生物相关特性菌体生长引起的生物相关特性*快速生长期时，培养液粘度上升，快速生长期时，培养液粘度上升，K KL La a下下降，引起降，引起DODO水平的变化水平的变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COCO2 2与排气二氧化碳浓度与排气二氧化碳浓度ECOECO2 2的差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影响培养液的混和、传递特性。

重影响培养液的混和、传递特性精品课件菌体生长与参数相关菌体生长与参数相关菌体生长时菌量必定增加，由于测定技术的困难，可用菌体干重、菌体生长时菌量必定增加，由于测定技术的困难，可用菌体干重、取样离心体积（取样离心体积（PMVPMV）、显示粘度、发酵液流出时间等表示显示粘度、发酵液流出时间等表示菌体生长时，菌体生长时，OUROUR与与CERCER发生变化但是由于发生变化但是由于OUROUR与所利用的碳源与所利用的碳源的还原度有关，以及与菌体代谢途经密切相关，而的还原度有关，以及与菌体代谢途经密切相关，而CERCER主要涉及主要涉及到碳平衡，所以一般宜以到碳平衡，所以一般宜以CERCER与菌体生长相关与菌体生长相关氮源在菌体代谢过程中不能作为能源供应，因此氮源的变化一般氮源在菌体代谢过程中不能作为能源供应，因此氮源的变化一般与菌体的维持无关但是菌体生长时，必需由氮源提供生长所需与菌体的维持无关但是菌体生长时，必需由氮源提供生长所需的的N N元素材料元素材料菌体生长所引起的培养液流变特性的变化，由此而引起反应器混菌体生长所引起的培养液流变特性的变化，由此而引起反应器混和传递特性的变化和传递特性的变化。

KLaKLa就是一个反映这种特性的较容易测定的就是一个反映这种特性的较容易测定的特征参数特征参数磷是菌体生长的重要因子，它既是菌体生长时的组成材料又是微磷是菌体生长的重要因子，它既是菌体生长时的组成材料又是微生物进行平衡生长的限制因素之一，因此在培养液中测定总磷或生物进行平衡生长的限制因素之一，因此在培养液中测定总磷或溶磷含量是必要的，由此可以与其他生长有关的参数相关联溶磷含量是必要的，由此可以与其他生长有关的参数相关联 精品课件高搅拌转速时菌体生长与高搅拌转速时菌体生长与KLaKLa变化变化 精品课件高转速时的头孢高转速时的头孢C C菌丝形态变化菌丝形态变化 精品课件头孢菌素头孢菌素C C发酵过程菌体生长引起的参数变化发酵过程菌体生长引起的参数变化精品课件头孢菌素Ｃ发酵过程菌体生长与产量的关系头孢菌素Ｃ发酵过程菌体生长与产量的关系精品课件金霉素发酵后期发酵液稀化现象金霉素发酵后期发酵液稀化现象 精品课件发酵过程中泡沫与发酵过程中泡沫与K KL La a的关系的关系精品课件代谢引起的生物相关代谢引起的生物相关 通过生物细胞及代谢途径的不同所引起的活性通过生物细胞及代谢途径的不同所引起的活性变化变化, ,直接对控制对象特性发生影响。

直接对控制对象特性发生影响 菌体细胞代谢活性变化而直接引起的某测定参数的变菌体细胞代谢活性变化而直接引起的某测定参数的变化，即为代谢特性参数相关化，即为代谢特性参数相关 ---- ----代谢强度的变化代谢强度的变化 ---- ----代谢途径的变化代谢途径的变化 ---- ----引起的基质消耗或代谢产物形成的不同引起的基质消耗或代谢产物形成的不同 代谢活性变化：环境条件的线性或动力学因素、细胞代谢活性变化：环境条件的线性或动力学因素、细胞内某调节因子引起的代谢流迁移、基因水平的信息流内某调节因子引起的代谢流迁移、基因水平的信息流 精品课件发酵过程中补糖策略的实施发酵过程中补糖策略的实施 发酵过程中以某一营养物质作为限制性基质，发酵过程中以某一营养物质作为限制性基质，采用营养物流加技术是常用的一种发酵调控策略采用营养物流加技术是常用的一种发酵调控策略其中以流加糖（淀粉或葡萄糖）是最普遍采用的方其中以流加糖（淀粉或葡萄糖）是最普遍采用的方法，归纳起来主要有以下几点理由法，归纳起来主要有以下几点理由。

适应生物反应器的供氧能力，控制菌体生长速率与适应生物反应器的供氧能力，控制菌体生长速率与最大生物量最大生物量在菌体生长期完成后，在细胞水平控制比生长速率，在菌体生长期完成后，在细胞水平控制比生长速率，使菌体酶体系处于最有利于生产的状态，或控制比使菌体酶体系处于最有利于生产的状态，或控制比生长速率来解决基因水平上的分解代谢产物的阻遏生长速率来解决基因水平上的分解代谢产物的阻遏作用低浓度葡萄糖可以降低高浓度时所引起的分解代谢低浓度葡萄糖可以降低高浓度时所引起的分解代谢阻遏作用阻遏作用 精品课件生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系 不同发酵周期的不同发酵周期的EOEO2 2浓度与浓度与DODO的几种对应关系这种不同的几种对应关系这种不同的对应关系是与不同操作条件和菌体呼吸强度有关的的对应关系是与不同操作条件和菌体呼吸强度有关的rpmDOECO2EO2加糖加糖ECO2ECO2ECO2EO2EO2EO2DODODOrpmrpmrpmhhhh非碳源限制，临界氧浓度以下（ＤＯ变化不显著）碳源限制，临界氧浓度以下（ＤＯ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）精品课件补糖与排气补糖与排气COCO2 2 、、pHpH的关系的关系青霉素发酵过程，补糖将引起排气青霉素发酵过程，补糖将引起排气COCO2 2浓度浓度的增加和培养液的增加和培养液pHpH下降，产生的二氧化下降，产生的二氧化碳和碳和pHpH的变化可用下述简图描述：的变化可用下述简图描述：pHECO2加糖(h)精品课件产产生生的的二二氧氧化化碳碳可可以以用用青青霉霉素素产产生生菌菌的的生生长长和和产产物物形形成成的的化化学学简式来说明：简式来说明： 菌体生长：菌体生长：C C6 6H H1212O O6 6+NH+NH3 3+3.3O+3.3O2 2+0.06H+0.06H2 2SOSO4 4 0.42C7.1H13.2O4.4N0.06S+3CO 0.42C7.1H13.2O4.4N0.06S+3CO2 2+4.8H+4.8H2 2O O菌体维持：菌体维持：C C6 6H H1212O O6 6+6O+6O2 2 6CO 6CO2 2+6H+6H2 2O O青霉素生产：青霉素生产：C C6 6H H1212O O6 6+(NH+(NH4 4) )2 2SOSO4 4 + 0.5O+ 0.5O2 2 + PAA+ PAA C9H C9H1212O O4 4N N2 2S+2COS+2CO2 2+H+H2 2O O 糖糖对对pHpH的的影影响响主主要要从从二二个个方方面面起起作作用用，，一一方方面面，，由由于于糖糖的的补补入入，，立立即即被被菌菌体体利利用用形形成成COCO2 2，，溶溶解解的的二二氧氧化化碳碳使使培培养养液液的的pHpH下降，另一方面，糖被菌体利用以后产生有机酸下降，另一方面，糖被菌体利用以后产生有机酸。

生物相关生物相关精品课件补糖与氮源的利用关系补糖与氮源的利用关系精品课件补料与磷含量的变化情况补料与磷含量的变化情况精品课件补料与物料平衡补料与物料平衡在菌体生长期或产物生产期，基础培养基中的碳源或在菌体生长期或产物生产期，基础培养基中的碳源或中间补入的碳源被菌体利用后，经分解代谢和合成代中间补入的碳源被菌体利用后，经分解代谢和合成代谢，形成菌体生长、中间代谢物和能量消耗，这些都谢，形成菌体生长、中间代谢物和能量消耗，这些都应符合物质平衡和能量平衡原理应符合物质平衡和能量平衡原理可把生物反应可把生物反应器中微生物细胞活动用化学元素的平衡式来表示器中微生物细胞活动用化学元素的平衡式来表示在多参数趋势曲线基础上，以物质守恒的原理进行相在多参数趋势曲线基础上，以物质守恒的原理进行相关分析对关分析对OUROUR、、CERCER、补糖量（或速率）、补氮量、补糖量（或速率）、补氮量（或速率）、产物生成量和菌体生成量等进行碳和氮（或速率）、产物生成量和菌体生成量等进行碳和氮平衡估算如果发现不平衡现象，就有可能是某种未平衡估算如果发现不平衡现象，就有可能是某种未知的代谢产物形成可以进一步结合发酵过程的其他知的代谢产物形成。

可以进一步结合发酵过程的其他现象，如现象，如RQRQ、、pHpH值、菌丝形态等进行分析，得到有意值、菌丝形态等进行分析，得到有意义的结果义的结果精品课件生物相关：生物相关：OUROUR与与DODO的基本相关特征的基本相关特征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)精品课件细胞水平细胞水平 代谢调节代谢调节 dc/dt =Kdc/dt =KL La( c*a( c*－－c)c)－－OUROUR rpm rpm↓ ↓ K KL La a ↓↓ K KL La ( c*-c) < OURa ( c*-c) < OUR dc/dt < 0dc/dt < 0 c c ↓↓ 当葡萄糖为限制性基质时当葡萄糖为限制性基质时D OD Orpmmin加糖DODOrpmminOUR CGLU Cc 加入糖加入糖 C CGLU GLU ↑↑ OUR OUR ↑(↑(菌体生理活性菌体生理活性) )OUR >KOUR >KL La( c*-c) dc /dt <0 c a( c*-c) dc /dt <0 c ↓↓精品课件生物相关：排气二氧化碳浓度和排气氧浓度的相关性生物相关：排气二氧化碳浓度和排气氧浓度的相关性 菌菌体体耗耗糖糖形形成成二二氧氧化化碳碳时时，，必必须须提提供供氧氧作作为为生生物物氧氧化化所所需需。

因因此此在在排排气气成成份份分分析析中中，，可可以以很很明明显显地地得得到到氧氧浓浓度度降降低低和和二二氧氧化化碳碳浓浓度度升升高高的的对对应关系曲线，其相关深度可用呼吸商：应关系曲线，其相关深度可用呼吸商： RQ=(CER) / (OUR) RQ=(CER) / (OUR)来表示精品课件呼吸商呼吸商(RQ)(RQ)变化的生物学意义变化的生物学意义表征不同的代谢途径表征不同的代谢途径 厌氧代谢、耗氧代谢厌氧代谢、耗氧代谢 不同的耗氧代谢途径间的差异不同的耗氧代谢途径间的差异表征不同的基质利用情况表征不同的基质利用情况 基质还原性强与弱的差异基质还原性强与弱的差异精品课件生物相关：加入葡萄糖对生物相关：加入葡萄糖对RQRQ的影响的影响还原性较高的基质作碳源：葡萄糖加入还原性较高的基质作碳源：葡萄糖加入→RQ→RQ上升上升 结论：黄豆粉作碳源，以碳骨架通过氨基酸代谢进入菌体，有利结论：黄豆粉作碳源，以碳骨架通过氨基酸代谢进入菌体，有利于甲基丙二酰于甲基丙二酰CoACoA形成，促进红霉素大环的形成形成，促进红霉素大环的形成曲线相关还进一步提出了黄豆饼粉利用的时间，利用方式和不同曲线相关还进一步提出了黄豆饼粉利用的时间，利用方式和不同碳源间的竞争性利用特性，为过程工艺优化提供了重要线索。

碳源间的竞争性利用特性，为过程工艺优化提供了重要线索精品课件生物相关：生物相关：RQ RQ 、、CER CER 、、DO DO 间的相关间的相关RQCERDORQRQRQCERDODODOCgluCglu时间（h）时间（h）时间（h）时间（h）加碳源加碳源葡萄糖碳源加入还原性大的碳源好氧发酵厌氧发酵精品课件多基质利用的参数相关变化多基质利用的参数相关变化精品课件某抗生素发酵的糖与油利用转移某抗生素发酵的糖与油利用转移 精品课件生物相关：生物相关： 补糖与补糖与pHpH的相关性的相关性精品课件常规的工艺控制点应有所改变常规的工艺控制点应有所改变 最佳最佳pHpH值与由于物料流变化所引起的值与由于物料流变化所引起的pHpH操作点的平衡的操作点的平衡的本质性差异，以本质性差异，以 H H+ + 浓度平衡为例：浓度平衡为例：精品课件H H+ + 浓度平衡的算式浓度平衡的算式精品课件补糖与补糖与OUROUR、、 CER CER、菌量（、菌量（x x）、）、K KL La a相关特性相关特性 长周期、慢相关长周期、慢相关KLaOUROURCERCERXRglu时间（day）12精品课件相关性分析：发酵过程中加油的作用相关性分析：发酵过程中加油的作用消泡 释放CO2(h)EOEO2 2ECO2DO作为碳源利用(h)RQOUROURCERDO改变流变特性(h)OUROURCERDOKLa加糖加油作为氧载体提高对氧亲和力(h)精品课件相关性分析：搅拌转速与相关性分析：搅拌转速与DODO组成控制回路特性组成控制回路特性电机转速调节器转速变送器DO调节器DO设定值空气发酵罐串级调节系统主环调节：DO付环调节：转速放大系数 K＝被调参数变化／调节参数变化 ＝ △ DO／ △rpm 精品课件工程尺度问题举例工程尺度问题举例•通气搅拌与氧传递通气搅拌与氧传递 KLa ∽ rpm , f Q ＝KF(th－tl) KLa ≈ KF•轴向流搅拌器轴向流搅拌器 富氧区、贫氧区、全釜混富氧区、贫氧区、全釜混和与轴向流和与轴向流•空气分布器与集流口空气分布器与集流口 静态混和、泰勒涡柱、强静态混和、泰勒涡柱、强化轴向流、减少桨叶层数、减化轴向流、减少桨叶层数、减小桨叶直径、降低功率消耗小桨叶直径、降低功率消耗精品课件不同尺度问题相关的举例不同尺度问题相关的举例DOOURCLCRpmRpm ↓ ↓ DO DO ↓↓ 当ＤＯ低于临界氧当ＤＯ低于临界氧浓度（Ｃ浓度（ＣＬＬｃｃ) )时，ＯＵ时，ＯＵＲ下降，细胞代谢由好Ｒ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VHB精品课件（五）、参数相关特性与工艺操作分析（五）、参数相关特性与工艺操作分析• 临界氧的确定临界氧的确定• 加油与消泡加油与消泡• 补料漏糖的事故操作分析补料漏糖的事故操作分析• 消泡、气量与供氧消泡、气量与供氧• 发酵不同时期的泡沫特性发酵不同时期的泡沫特性• 过程误操作的判断过程误操作的判断• 油与葡萄糖作为碳源的竞争性利用油与葡萄糖作为碳源的竞争性利用精品课件• 发酵过程的搅拌特性变化发酵过程的搅拌特性变化• 逃液情况的判断逃液情况的判断• 合理的代放操作研究合理的代放操作研究• 菌体结球形态与临界氧的迁移菌体结球形态与临界氧的迁移• 基质利用的临界特性基质利用的临界特性• 基础培养基的各成分利用与代谢特性分析基础培养基的各成分利用与代谢特性分析• 种子质量指标的相关判断种子质量指标的相关判断• 菌体代谢特性的迁移菌体代谢特性的迁移参数相关特性与工艺操作分析（二）参数相关特性与工艺操作分析（二）精品课件动态放罐点判断：基因工程疟疾疫苗高密度高表达动态放罐点判断：基因工程疟疾疫苗高密度高表达精品课件应用举例应用举例梅岭霉素发酵过程中的代谢调控研究梅岭霉素发酵过程中的代谢调控研究基因工程毕赤酵母的高表达过程的优化与放大基因工程毕赤酵母的高表达过程的优化与放大鸟苷发酵过程优化研究鸟苷发酵过程优化研究头孢菌素头孢菌素C C发酵过程放大研究发酵过程放大研究精品课件梅岭霉素发酵过程中的梅岭霉素发酵过程中的代谢调控研究代谢调控研究精品课件梅岭霉素的研究背景梅岭霉素的研究背景江西农业大学江西农业大学7070年代发现的可生产抗虫年代发现的可生产抗虫活性抗生素的产品活性抗生素的产品长期来未实现产业化的症结是发酵单位长期来未实现产业化的症结是发酵单位较低，不具备产业化的可能性较低，不具备产业化的可能性研究的角度是从一个全新的抗生素产品研究的角度是从一个全新的抗生素产品开发来进行的开发来进行的研究初期，在反应器上单位低（研究初期，在反应器上单位低（50 50 μg/mL μg/mL ，，摇瓶可达摇瓶可达330330 μg/mL μg/mL ）困惑了我们）困惑了我们精品课件氧消耗速率OUR与DO的基本相关特征精品课件临界氧浓度的发现临界氧浓度的发现精品课件反应器尺度反应器尺度——剪切对剪切对MBMB生物合成影响生物合成影响Fig.3.6 Morphology of Fig.3.6 Morphology of S. nanchangensisS. nanchangensis fermentation in shake fermentation in shake flask(48th h,×flask(48th h,×10001000) ) 327±5μg/mL 57±5 μg/mL 0 0 精品课件反应器尺度反应器尺度——剪切对剪切对MBMB生物合成影响生物合成影响Fig 3.9 Bioprocess parameters profiles of Streptomyces nanchangensis cultured in 50L Bioreactor with turbine impeller (A) and slop impeller (B), respectively83 μg/mL 126 μg/mL 精品课件铵离子对铵离子对MBMB代谢中相关酶活的影响代谢中相关酶活的影响(1)(1)Fig.3.15 Fig.3.15 The time course of specific activity of Glucose-6-Phosphate dehydrogenasein shake flask culture with different ammonium sulfate concentrations ■-control，●-5mmol/L，▲-12.5mmol/L Fig.3.16 The time course of Citrate syntheses in medium with different ammonium sulfate concentration (■-control，●-5 mM，▲-12.5 mM) Fig.3.17 The time course of SDH in medium with different ammonium sulfate concentration(■-control，●-5 mM，▲-12.5 mM)精品课件铵离子对铵离子对MBMB代谢中相关酶活的影响代谢中相关酶活的影响(2)(2)Fig.3.18 The time course of VDH specific activity at different ammonium sulfate condition(■-control，●-2.5mmol/L，▲-5mmol/L， ◆-7.5mmol/L，▼-12.5mM) Fig.3.19 The time course of MCT of S. nanchangenesis cultivated in shake flask culture with 5mM（■）and 12.5mM（▲）ammonium sulfateFig.3.20 The time course of FAS in medium with different ammonium sulfate concentration(●-5mM，■-12.5mmol/L)精品课件酶酶学学参参数数解解释释铵铵离离子子对对梅梅岭岭霉霉素素生生物物合合成成•NHNH4 4+ +对对HMPHMP和和TCATCA途径促进途径促进（（G6PDH,CS,SDHG6PDH,CS,SDH））•VDHVDH和和MCTMCT活性，活性，前体增加前体增加 •后期后期CSCS显著增加显著增加和和SDHSDH的减少的减少 •后期后期FASFAS合成脂合成脂肪酸增加肪酸增加•高浓度的铵离子高浓度的铵离子糖代谢加快，糖代谢加快，ATPATP量上升，而大量量上升，而大量的的ATPATP使菌体次级使菌体次级代谢减弱代谢减弱 精品课件毕赤酵母高表达优化毕赤酵母高表达优化与放大应用实例与放大应用实例精品课件毕赤酵母表达系统中不同碳源应用对比毕赤酵母表达系统中不同碳源应用对比 1.以葡萄糖为碳源时接种后存在细胞生长的延迟期以葡萄糖为碳源时接种后存在细胞生长的延迟期接种量10 %左右, 葡萄糖：1-2hr 甘油：不明显 2.细胞生长阶段工艺控制与呼吸熵变化细胞生长阶段工艺控制与呼吸熵变化 葡萄糖：0.9左右 甘油：0.6左右葡萄糖甘油精品课件两种碳源条件下发酵过程特征比较两种碳源条件下发酵过程特征比较3.由细胞生长期转化为蛋白表达期时，有明显的过渡期葡萄糖：5 hr左右甘油：3 hr左右4.诱导成功后，蛋白的表达受生长碳源的影响很小glucoseglycerol精品课件毕赤酵母表达系统的状态特征和优化策略毕赤酵母表达系统的状态特征和优化策略 •生长阶段：识别识别：RQ-碳源种类； CER或OUR ->碳源； DO ->批阶段和分批补料阶段的判定，氧限制优化优化：指数流加与DO控制结合——高密度高比生长速率50 L50 L500 L500 L12 T12 T精品课件鸟苷发酵过程关键技术研究鸟苷发酵过程关键技术研究 精品课件参数相关分析与状态方程建立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：通过鸟苷发酵过程的数据采集发现：404040小时小时OUROUR下降，耗糖速率增加，氨氮用量增加下降，耗糖速率增加，氨氮用量增加 鸟苷产率迅速下降鸟苷产率迅速下降────代谢流迁移代谢流迁移精品课件 代谢途径迁移的酶学测代谢途径迁移的酶学测试试 ─── HMP─── HMP途经途经→EMP→EMP途经途经磷酸果糖激磷酸果糖激酶酶 磷酸葡萄糖脱磷酸葡萄糖脱氢氢酶酶 丙丙酮酮酸激酸激酶酶 柠柠檬酸合成檬酸合成酶酶 丙氨酸脱丙氨酸脱氢氢酶酶 精品课件跨尺度分析与工艺改进跨尺度分析与工艺改进 确定以代谢流由确定以代谢流由EMPEMP向向HMPHMP途径回复迁移途径回复迁移为目标进行过为目标进行过程工艺优化，并程工艺优化，并以以OUROUR的下降的下降作为跨尺度操作的相关因子作为跨尺度操作的相关因子 发现调控因子发现调控因子A A加入后短期内加入后短期内OUROUR的下降速度就开始放的下降速度就开始放慢，到慢，到4848小时开始维持稳定直至放罐，并且发酵后期的糖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耗速率也变慢 精品课件工艺改进后实施效果工艺改进后实施效果•小试与中试规模小试与中试规模 ：： 17.2 17.2克克/L →34/L →34克克/L(60/L(60小时小时) ) •100M100M3 3生产规模生产规模 ：： 16 16克克/L /L →→3232克克/L(60/L(60小时小时) ) 精品课件阿维菌素发酵过程的参数相关分析精品课件阿维菌素发酵过程的特点阿维菌素发酵过程的特点典型的丝状菌液体深层发酵过程典型的丝状菌液体深层发酵过程菌丝形态是重要参数菌丝形态是重要参数菌丝形态会影响发酵液的流变特性、培养菌丝形态会影响发酵液的流变特性、培养体系的传质和传热、影响目的产物合成体系的传质和传热、影响目的产物合成菌体形态分化也与丝状微生物生理状态密菌体形态分化也与丝状微生物生理状态密切相关切相关发酵过程中的供氧与菌丝剪切力是一较难发酵过程中的供氧与菌丝剪切力是一较难协调的矛盾协调的矛盾 精品课件不同操作条件下菌丝形态差异不同操作条件下菌丝形态差异50L发酵罐不同初始碳源浓度批发酵过程菌丝图像 (×100倍)（a）淀粉浓度13%，45h（左）、70h（右）；（b）淀粉浓度11%，45h（左）、68h（右） (a)(b)精品课件图像分析技术在阿维菌素发酵过程中的应用图像分析技术在阿维菌素发酵过程中的应用 (c)(d)(e)(a)(b)菌丝图像分析菌丝图像分析流程流程(a)(a)原始图像原始图像(b)(b)目标二值图目标二值图(c)(c)菌丝球核菌丝球核 (d) (d)菌丝掩图菌丝掩图（（e e）菌丝图）菌丝图精品课件不同搅拌反应器对阿维菌素发酵过程的影响不同搅拌反应器对阿维菌素发酵过程的影响50L50L发酵罐同时配置不同形式的搅拌浆发酵罐同时配置不同形式的搅拌浆精品课件利用计算流体力学方法计算不同桨叶利用计算流体力学方法计算不同桨叶组合的速度矢量场情况组合的速度矢量场情况 精品课件不同搅拌将情况下细胞代谢特性的研究不同搅拌将情况下细胞代谢特性的研究 不同桨叶组合不同桨叶组合下除虫链霉菌下除虫链霉菌球核面积，核球核面积，核区周长，区周长，菌丝球面积，菌丝球面积，圆形因子，菌圆形因子，菌丝球密度，边丝球密度，边缘菌丝密度的缘菌丝密度的变化趋势变化趋势Im01Im01（（■■）；）；Im02Im02（（●●）；）；Im03Im03（（▲▲））精品课件生理实验结果生理实验结果第一组：剪切力小、混合第一组：剪切力小、混合好、菌丝形态好，发酵单好、菌丝形态好，发酵单位：位：3500u/ml 3500u/ml 第二组：菌量最小、菌球第二组：菌量最小、菌球最小，发酵单位：最小，发酵单位：3000u/ml 3000u/ml 第三组：剪切力最小、混第三组：剪切力最小、混合较差、前期菌球大，发合较差、前期菌球大，发酵单位：酵单位：2800 u/ml2800 u/ml 精品课件阿维菌素发酵过程参数相关变化特性阿维菌素发酵过程参数相关变化特性OUR、CER、pH、RQ、Titer等变化趋势精品课件发酵过程中发酵过程中α-α-酮戊二酸、乙酸积累和总糖消耗过程曲线酮戊二酸、乙酸积累和总糖消耗过程曲线 （▲Acetic acid; ◆Total sugar ；■α-ketoglutaric acid） 精品课件溶氧对菌形及产素的影响溶氧对菌形及产素的影响 51小时：高DO时187μg/ml； 低DO时效价只有27μg/ml，提前放罐DO1;DO2;Total sugar1;total sugar2)低DO高DO精品课件后期补糖策略对发酵单效价的影响后期补糖策略对发酵单效价的影响补糖较差时，效价仅补糖较差时，效价仅3600 u/ml3600 u/ml补糖较好时，效价可达补糖较好时，效价可达5000 u/ml5000 u/ml精品课件基于代谢参数基于代谢参数OUROUR的阿维菌素发酵补糖的阿维菌素发酵补糖新工艺新工艺 常规发酵过程中常规发酵过程中OUROUR参数变化规律参数变化规律 以以OUROUR为依据控制补糖的为依据控制补糖的OUROUR变化图变化图 精品课件以以OUROUR为依据的补糖与对照效价对比图为依据的补糖与对照效价对比图 精品课件 头孢菌素头孢菌素C C发酵过程放大发酵过程放大精品课件头孢菌素头孢菌素C C的生物合成途径的生物合成途径L-a-氨基己二酸 ＋L-半胱氨酸 ＋L-缬氨酸 三肽合成酶 LLD-三肽 环化酶 O2 异青霉素N 异构酶 青霉素N 扩环酶 O2 脱乙酰氧头孢菌素C(DAOC) DAC合成酶 O2 脱乙酰头孢菌素C(DAC) 乙酰水解酶 乙酰转移酶 头孢菌素C 高耗氧是头高耗氧是头C C发酵特点之一发酵特点之一精品课件大型搅拌发酵罐设计制造大型搅拌发酵罐设计制造180M180M3 3发酵罐车间发酵罐车间大型空气压缩机大型空气压缩机精品课件 5050升发酵罐（升发酵罐（FUS-50L(A)FUS-50L(A)）：）： 平均平均4 4万万u/mlu/ml，最高达，最高达4.54.5万万u/m1u/m1，用油少，用油少 l80Ml80M3 3工业发酵罐：工业发酵罐： 平均平均2.52.5万万u/m1u/m1，最高达，最高达3 3万万u/m1u/m1，用油增加，用油增加30%30%? ?试验结果试验结果精品课件 大罐与小罐比较（大罐与小罐比较（307-149307-149与与50L2-1050L2-10））大罐：大罐：100h100h后后DODO水平是限制产素速率的关键因素水平是限制产素速率的关键因素搅拌功率：搅拌功率：560kw/180M560kw/180M3 3 ≈3.2kw/M≈3.2kw/M3 3精品课件 RQRQ值差异值差异 3232小时前，大罐与小罐的小时前，大罐与小罐的RQRQ值接近值接近3232小时大罐小时大罐RQRQ值升高值升高7070小时左右，大小罐小时左右，大小罐RQRQ值下降，值下降，但小罐更低但小罐更低。

精品课件初步结论初步结论小罐用油情况优于生产大罐，原因分析：小罐用油情况优于生产大罐，原因分析：加油量加油量( (单位发酵液体积单位发酵液体积) )：：大罐大于小罐？大罐大于小罐？脂肪酶诱导：脂肪酶诱导：小罐优于大罐？小罐优于大罐？混和情况：混和情况：大罐搅拌功率：大罐搅拌功率：560kw/180M560kw/180M3 3 ≈3.2kw/M≈3.2kw/M3 3？？考虑到考虑到100h100h后后DODO水平变化情况水平变化情况────混和传递是放混和传递是放大时的主要矛盾大时的主要矛盾精品课件 桨型的计算流体力学仿真桨型的计算流体力学仿真通气量从通气量从0.50.5提高到提高到1.2vvm1.2vvm时，发现桨间流型干扰时，发现桨间流型干扰精品课件l气含量分层现象严重气含量分层现象严重l通气短路现象通气短路现象精品课件结论结论搅拌系统设计不合理引起工业生产罐混和不均的搅拌系统设计不合理引起工业生产罐混和不均的严重问题严重问题出现发酵出现发酵100100小时高耗氧时的供氧不足小时高耗氧时的供氧不足出现顶部加油区到发酵底部的出现顶部加油区到发酵底部的含油浓度梯度含油浓度梯度，虽，虽然生产大罐加油量大，但实际耗油量减少然生产大罐加油量大，但实际耗油量减少也引起也引起脂肪酶的诱导不均一性脂肪酶的诱导不均一性发酵单位下降，用油成本增加，含油发酵液提取发酵单位下降，用油成本增加，含油发酵液提取困难，影响产品质量困难，影响产品质量精品课件改造后搅拌桨模型改造后搅拌桨模型精品课件初步改造结果初步改造结果 2.5-3.0万u/m1 3.5万u/m1精品课件红霉素发酵过程的优化与放大红霉素发酵过程的优化与放大精品课件项项 目目 背背 景景u红霉素及其衍生物市场需求大红霉素及其衍生物市场需求大Ø年销售额已超过年销售额已超过3535亿美元，位居抗生素销售额第三亿美元，位居抗生素销售额第三位位u限制我国参加国际市场竞争的关键因素限制我国参加国际市场竞争的关键因素Ø红霉素组分要求红霉素组分要求 组分不合格的红霉素产品将严重影响后续衍生物的合成组分不合格的红霉素产品将严重影响后续衍生物的合成 Ø降低生产成本降低生产成本 必须实现高效节能和绿色规模化生产必须实现高效节能和绿色规模化生产精品课件关键技术与难点关键技术与难点u工业生产菌有效组分基因工程改造困难工业生产菌有效组分基因工程改造困难 国际上也未有文献报道国际上也未有文献报道 u全局优化的全局优化的发酵过程调控有难度发酵过程调控有难度 u规模化生产中规模化生产中需要有效过程放大理论与方法需要有效过程放大理论与方法u分离纯化过程中需要分离纯化过程中需要节能减排先进分离技术节能减排先进分离技术精品课件1. 1. 首次成功应用代谢工程改造红霉素工业首次成功应用代谢工程改造红霉素工业生产菌提高发酵有效组分生产菌提高发酵有效组分E1 E2重重组组菌菌E1中中红红霉素霉素组组分得到了改善分得到了改善 外源外源SAMs基因的表达基因的表达 抑制了抑制了孢孢子的形成子的形成 u克服工业生产菌株遗传操作的重大障碍克服工业生产菌株遗传操作的重大障碍u成功实现异源表达成功实现异源表达S-S-腺苷甲硫氨酸合成酶腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMs)(SAMs)基因提基因提高红霉素高红霉素A A产量产量精品课件调控羟基化酶（调控羟基化酶（EryKEryK）和甲基化酶（）和甲基化酶（EryGEryG）表达）表达 提高红霉素提高红霉素A A产量产量共获得共获得9 9个有效工程菌，其中个有效工程菌，其中ZL1004, ZL1007ZL1004, ZL1007生物效价提高近生物效价提高近3030％％ 红霉素红霉素B B无积累无积累 红霉素红霉素C C无无积累积累强化强化eryKeryK表达减少红霉素表达减少红霉素B B组份组份同时强化同时强化eryKeryK和和eryGeryG表达表达提高红霉素提高红霉素A A产量产量调节调节eryKeryK和和eryGeryG表达比例表达比例提高红霉素提高红霉素A A产量产量红红霉素霉素A红红霉素霉素B红红霉素霉素D红红霉素霉素CEryKEryKEryGEryG精品课件 调控羟基化酶（调控羟基化酶（EryKEryK）和甲基化酶（）和甲基化酶（EryGEryG）表）表达达 提高红霉素提高红霉素A A产产量量出发菌出发菌ZL1004ZL1004ZL1007ZL1007ZL1004, ZL1007ZL1004, ZL1007正在进行正在进行50L50L生物反应器小试验证生物反应器小试验证精品课件2.2.红霉素发酵工艺优化红霉素发酵工艺优化 ────复杂系统多尺度观点的应用复杂系统多尺度观点的应用 l尺度：空间尺度尺度：空间尺度( (基因、细胞、基因、细胞、反应器反应器) )与时间尺度与时间尺度l信息流、物质流和能量流信息流、物质流和能量流l研究了跨尺度测量与控制的研究了跨尺度测量与控制的原理方法原理方法l生物学与工程学相结合生物学与工程学相结合，解，解决局部与整体、过程动态与决局部与整体、过程动态与最终结果的关系最终结果的关系精品课件 克服从单一生理调控机制出发的研究的局限克服从单一生理调控机制出发的研究的局限性性 解决发酵过程优化所面临的局部与整体的协调关解决发酵过程优化所面临的局部与整体的协调关系系50L实验实验室室规规模模数据数据软软件包件包 120m120m3 3发酵罐发酵罐精品课件发酵过程优化的动态研究发酵过程优化的动态研究 培养基的优化、廉培养基的优化、廉价原材料的替代价原材料的替代产物合成代谢流强化策略产物合成代谢流强化策略 其他发酵过程操作其他发酵过程操作因子的优化因子的优化 实实现现以以宏宏观观代代谢谢流流分分析析与与控控制制为为核核心心的的发发酵酵过过程程动动态态优优化化与与生生理代谢差异研究理代谢差异研究小试与大罐的联动优化小试与大罐的联动优化精品课件0102030405060024487296120144168192Cultivation time (hour)OUR、CER (mmol/l.h)00.511.52RQOURRQCER复合营养因子红红霉素合成代霉素合成代谢谢流流强强化策略化策略 氮源氮源组组成响成响应应面分析面分析图图 优优化化筛选筛选配方配方发发酵代酵代谢谢流差异流差异 精品课件生产罐发酵过程优化与调整生产罐发酵过程优化与调整 氮源调整试验、补糖时机选择、转速与流量氮源调整试验、补糖时机选择、转速与流量控制、补料工艺、取消带放补水工艺控制、补料工艺、取消带放补水工艺生产罐典型发酵生产罐典型发酵代谢趋势曲线代谢趋势曲线 原带放补水工艺与原带放补水工艺与优化工艺代谢曲线优化工艺代谢曲线 前期前期OUROUR代谢强度可作为跨尺度操作的调控因子代谢强度可作为跨尺度操作的调控因子精品课件3.3.基于流场特性与生理特性相结合的大型基于流场特性与生理特性相结合的大型发酵罐放大技术发酵罐放大技术370m370m3 3大型发酵罐大型发酵罐精品课件流场特性与生理特性的关系流场特性与生理特性的关系流场特性流场特性CFDCFD模拟模拟生理特性研究生理特性研究多尺度参数相关分析多尺度参数相关分析环境特性研究环境特性研究（细胞内生命过程）（多相流场复杂系统）精品课件反应器流场特性研究具体实施方案反应器流场特性研究具体实施方案计算流体力学（计算流体力学（CFDCFD））的流场特性研究技术的流场特性研究技术CFDCFD与耗氧特性与耗氧特性→→溶氧分溶氧分布布多点溶解氧（多点溶解氧（DODO）等测）等测定技术定技术模拟模拟理论推导理论推导验证验证精品课件流场特性模拟结果比较流场特性模拟结果比较速度矢量速度矢量气含率分布气含率分布湍湍动动能分布能分布l罐底迟滞区罐底迟滞区l整体气含率分布较均匀整体气含率分布较均匀l当前反应器形成的流场较均匀当前反应器形成的流场较均匀精品课件370m370m3 3发酵罐配置与运行发酵罐配置与运行计计算机算机单单参数参数多路数据采集多路数据采集与控制系与控制系统统杯式杯式补补料系料系统统搅搅拌系拌系统统中央控制系中央控制系统统精品课件流场特性验证结果流场特性验证结果----多点溶解氧多点溶解氧(DO)(DO)测定测定 Ø370m3370m3发酵罐上参数的多点采集发酵罐上参数的多点采集上层上层DODO中层中层DODO底层底层DODO使代谢特征参数走势基本一致使代谢特征参数走势基本一致精品课件发表的文章发表的文章ØWang Y, Wang YG, Chu J, Zhuang YP, Zhang LX, Zhang SL. Improved Wang Y, Wang YG, Chu J, Zhuang YP, Zhang LX, Zhang SL. Improved production of erythromycin A by expression of a heterologous gene production of erythromycin A by expression of a heterologous gene encoding S-adenosylmethionine synthetase. encoding S-adenosylmethionine synthetase. Appl. Microbiol. Appl. Microbiol. BiotechnolBiotechnol. 2007, 75:837–842.. 2007, 75:837–842.（（IF2.475IF2.475））ØWang Y, Wang YG, Zhang SL. High frequency transformation of the Wang Y, Wang YG, Zhang SL. High frequency transformation of the industrial erythromycin-producing bacterium industrial erythromycin-producing bacterium Saccharopolyspora Saccharopolyspora erythraeaerythraea. . Biotechnol LettBiotechnol Lett, 2008, 30: 357-361., 2008, 30: 357-361.ØYun Chen, Wei Deng, Jiequn Wu, Jiangchao Qian, Ju Chu, Yingping Yun Chen, Wei Deng, Jiequn Wu, Jiangchao Qian, Ju Chu, Yingping Zhuang, Siliang Zhang and Wen Liu. Genetic Modulation of the Zhuang, Siliang Zhang and Wen Liu. Genetic Modulation of the Overexpression of Tailoring Genes Overexpression of Tailoring Genes eryKeryK and and eryGeryG Leading to the Leading to the Improvement of Erythromycin A Purity and Production in Fermentation Improvement of Erythromycin A Purity and Production in Fermentation of of Saccharopolyspora erythraeaSaccharopolyspora erythraea. . Applied and Environmental Applied and Environmental MicrobiologyMicrobiology, 2008, 74:1820-1828. , 2008, 74:1820-1828. （（IF4.004IF4.004））ØXiang Zou, Haifeng Hang, Changfa Chen, Ju Chu*, Yingping Zhuang, Xiang Zou, Haifeng Hang, Changfa Chen, Ju Chu*, Yingping Zhuang, Siliang Zhang. Application of oxygen uptake rate and response Siliang Zhang. Application of oxygen uptake rate and response surface methodology for erythromycin production by surface methodology for erythromycin production by Saccharopolyspora erythraeaSaccharopolyspora erythraea. . J. Ind Microbiol BiotechnolJ. Ind Microbiol Biotechnol. 2008, DOI . 2008, DOI 10.1007/s 10295-008-0407-9.10.1007/s 10295-008-0407-9.Ø Xiang Zou, Haifeng Hang, Ju Chu*, Yingping Zhuang, Siliang Xiang Zou, Haifeng Hang, Ju Chu*, Yingping Zhuang, Siliang Zhang.Zhang. Oxygen uptake rate optimization with nitrogen regulation for Oxygen uptake rate optimization with nitrogen regulation for erythromycin production and scale-up from 50-l to 372-m3 scale. erythromycin production and scale-up from 50-l to 372-m3 scale. Bioresource TechnologyBioresource Technology. 2008, DOI 10.1016/j.biortech.2008.09.017. . 2008, DOI 10.1016/j.biortech.2008.09.017. （（IF3.103IF3.103））精品课件132 m132 m3 3 发酵罐发酵罐 20 20个、个、157 157 m m3 3 的发酵罐的发酵罐 23 23个和的个和的1 1个个372 372 m m3 3 的发酵罐，目前发酵总容积的发酵罐，目前发酵总容积6500 m6500 m3 3，年产，年产18001800吨吨，国内最，国内最大的红霉素发酵工厂之一。

大的红霉素发酵工厂之一应用情况应用情况精品课件生产罐工艺优化结果生产罐工艺优化结果l工艺优化后，车间生产罐发酵单位平均提高了工艺优化后，车间生产罐发酵单位平均提高了15%15%以上以上生产车间近三个月生产罐发酵水平统计生产车间近三个月生产罐发酵水平统计生产车间近三个月生产罐发酵水平统计生产车间近三个月生产罐发酵水平统计国内一般企业的发酵指数为国内一般企业的发酵指数为国内一般企业的发酵指数为国内一般企业的发酵指数为0.280.280.280.28月份月份放放 罐罐个个 数数平均周期平均周期(h)生生 效效(U/mL)放罐体积放罐体积(m3)罐批十亿罐批十亿发酵指数发酵指数2007年年12月月381847864108.7859.80.3729991928180126.01042.80.37722008年年1月月451748091113.1918.50.40631141807917125.11007.60.38892008年年2月月411928309113.2945.00.39131041898019125.31021.70.3757精品课件新增产值新增产值(万元万元)新增利润新增利润(万元万元)新增税收新增税收(万元万元)创创 收收 外外 汇汇（万美元）（万美元）三三 年年 累累 计计75,822.6521,727.523,924.041,758.00单位：万元单位：万元经济效益经济效益精品课件发酵过程优化与放大研究总况发酵过程优化与放大研究总况精品课件文章、著作发表文章、著作发表发表论文：发表论文：100100余篇余篇出版专著、著作：出版专著、著作：•多尺度微生物过程优化，多尺度微生物过程优化，化学工业出版社化学工业出版社•Study on Industrial Fermentation Study on Industrial Fermentation Process on Multi-scale and Its Process on Multi-scale and Its Optimization , Optimization , Advance Biochemical Advance Biochemical Engineering/ BiotechnologyEngineering/ Biotechnology , 2003 , 2003 VolumeVolume（（8787）） : Biomanufacturing : Biomanufacturing 20042004年年3 3月出版月出版精品课件庆大霉素发酵庆大霉素发酵OUR:20~30 OUR:20~30 mol/h.mmol/h.m3 3精品课件金霉素发酵金霉素发酵 OUR:30~40 OUR:30~40 mol/h.mmol/h.m3 3精品课件泰洛菌素发酵泰洛菌素发酵OUR:40 ~50 OUR:40 ~50 mol/h.mmol/h.m3 3精品课件鸟苷发酵鸟苷发酵OUR:40~50 mol/h.mOUR:40~50 mol/h.m3 3精品课件青霉素青霉素 (200h) (200h)OUR:50~70 OUR:50~70 mol/h.mmol/h.m3 3精品课件基因工程植酸酶发酵基因工程植酸酶发酵OUR:150~200 OUR:150~200 mol/h.mmol/h.m3 3精品课件基因工程毕赤酵母发酵（疟疾疫苗）基因工程毕赤酵母发酵（疟疾疫苗）OUR:200~300 mol/h.mOUR:200~300 mol/h.m3 3精品课件华蒙金河生物技术有限公司的生产车间现场（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。

精品课件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精品课件为多家企业的生物技术产业发展做出贡献精品课件在多个传统生物技术产品中取得突破在多个传统生物技术产品中取得突破 企业企业 产品产品 原产量原产量 优化后产量优化后产量 放大规模放大规模内蒙金河实业内蒙金河实业 金霉素金霉素 16000u/ml 21000u/ml 50L—120M 16000u/ml 21000u/ml 50L—120M3 3浙江海正药业浙江海正药业 阿维菌素阿维菌素 1500u/ml 2500u/ml 80M 1500u/ml 2500u/ml 80M3 3湖南中湘康神湖南中湘康神 红霉素红霉素 5000u/ml 6000u/ml 50L-- 50 M 5000u/ml 6000u/ml 50L-- 50 M3 3肇庆星湖生物肇庆星湖生物 肌苷肌苷 20g/L 40g/L 50L—60M 20g/L 40g/L 50L—60M3 3肇庆星湖生物肇庆星湖生物 鸟苷鸟苷 16g/L 34 g/L 50L—100M 16g/L 34 g/L 50L—100M3 3西安恒通药业西安恒通药业 泰乐菌素泰乐菌素 7000u/ml 10000 u/ml 50L—120M 7000u/ml 10000 u/ml 50L—120M3 3 山东胜利股份山东胜利股份 海南霉素海南霉素 1500 u/ml 3000 u/ml 50L—50M 1500 u/ml 3000 u/ml 50L—50M3 3华药华胜制药华药华胜制药 链霉素链霉素 2.4 2.4万万u/ml 2.7u/ml 2.7万万u/ml 50L—50Mu/ml 50L—50M3 3江西东风药业江西东风药业 青霉素青霉素 4.5 4.5万万u/ml 5.5u/ml 5.5万万u/ml 50L—50Mu/ml 50L—50M3 3精品课件在多个现代生物技术产品中取得突破在多个现代生物技术产品中取得突破企业企业 产品产品 原产量原产量 优化后产量优化后产量 放大规模放大规模永业农科永业农科 基因工程基因工程 800FTU/ml 2500 FTU/ml 50L—10M 800FTU/ml 2500 FTU/ml 50L—10M3 3 植酸酶植酸酶英国英国GMXGMX公司公司 PIP 0.3g/L 2.1g/L 500L PIP 0.3g/L 2.1g/L 500L医科院医科院 毕特螺旋霉素毕特螺旋霉素 1000u/ml 2500u/ml 30L 1000u/ml 2500u/ml 30L二军医大二军医大 疟疾疫苗疟疾疫苗 70mg/L 2.3g/L 50L 70mg/L 2.3g/L 50L上海凯曼生物上海凯曼生物 Apo-AI 4.5 g/L 50L Apo-AI 4.5 g/L 50L -milano -milano精品课件工程中心下阶段优化研究中的工程中心下阶段优化研究中的研究思路研究思路精品课件国家级项目情况国家级项目情况精品课件项目总体技术路线项目总体技术路线常规育种常规育种基因工程改造基因工程改造代谢流研究代谢流研究高通量筛选高通量筛选小小 试试(50L)(50L)中中 试试(3m(3m3 3、、10m10m3 3) )生产规模生产规模(160m(160m3 3/300m/300m3 3) )微观微观代谢流分析代谢流分析多尺度相关分析和多尺度相关分析和差异分析差异分析宏观宏观代谢流分析代谢流分析传感系统传感系统/ /数据数据分析系统扩展分析系统扩展计算流体力学计算流体力学研究研究代谢谱代谢谱转录谱转录谱计算、发酵罐设计计算、发酵罐设计验证、代谢流研究验证、代谢流研究验证、代谢流研究验证、代谢流研究计算、发酵罐设计计算、发酵罐设计精品课件各种参数传感器技术各种参数传感器技术精品课件发酵尾气分析过程质谱仪发酵尾气分析过程质谱仪建立新型跨尺度参数检测、研究方法建立新型跨尺度参数检测、研究方法在位细胞形态显微观察仪在位细胞形态显微观察仪精品课件生物过程工程实验室生物过程工程实验室 建立新型跨尺度参数检测、研究方法建立新型跨尺度参数检测、研究方法工业生物过程远程诊断研究室工业生物过程远程诊断研究室精品课件建立生物过程数据处理网络系统与数据库建立生物过程数据处理网络系统与数据库 实验室网络拓扑图（为异地远实验室网络拓扑图（为异地远程诊断提供技术平台）和数据程诊断提供技术平台）和数据中心实景图中心实景图精品课件菌种筛选与基因工程改造菌种筛选与基因工程改造常规育种技术常规育种技术基因工程改造基因工程改造 代谢产物的多基因合成代谢产物的多基因合成 次级代谢全局基因调控次级代谢全局基因调控 转录、表达、代谢转录、表达、代谢--------系统系统生物学生物学vgbvgb基因应用基因应用辅因子代谢工程辅因子代谢工程 精品课件用于高通量筛选的装置技术应用与研制用于高通量筛选的装置技术应用与研制pHpH测量与计算机补料控制摇床测量与计算机补料控制摇床微型化生物反应器应用与研制微型化生物反应器应用与研制精品课件探索工业生产过程的代谢流分析探索工业生产过程的代谢流分析与过程优化、基因工程改造与过程优化、基因工程改造 如何采用如何采用瞬时同位素测定代谢流瞬时同位素测定代谢流等代谢流分析方等代谢流分析方法，深入研究高产菌株生长特性与代谢规律，寻法，深入研究高产菌株生长特性与代谢规律，寻找抗生素找抗生素 生物合成的生物合成的关键限制性步骤关键限制性步骤，进而针，进而针对限制性步骤进行基因操作，对限制性步骤进行基因操作，尝试尝试进一步提高产进一步提高产素水平。

素水平以以1313Ｃ等稳定性同位素测定的微观代谢流分析与Ｃ等稳定性同位素测定的微观代谢流分析与过程优化、菌种改造相结合过程优化、菌种改造相结合精品课件 Parallel metabolic pathwaysParallel metabolic pathways Metabolic cycles (futile Metabolic cycles (futile cycle)cycle) Bidirectional reaction stepBidirectional reaction step Energy metabolitesEnergy metabolites Why the Isotopomer Labeling Approach?When does Stoichiometric MFA fail? Revisiting the 13C-label distribution of the non-oxidative branch of the pentose phosphate pathway based upon kinetic and genetic evidence Roelco J. Kleijn,2005精品课件Method and principleCLE (carbon-labeling experiment ) 精品课件精品课件谢谢 谢！谢！Thanks!Thanks!精品课件。