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第十章：发酵过程优化与放大概论

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第10章 发酵过程的优化和放大

第10章 发酵过程的优化和放大

[2*(5.6+5.6+4 [2*(1+2+2)/3]- [2*(162+162+3 0.3074 )/3]-4=6.13 1=2.33 03)/3]-303=115 4.9 1.5 224 0.3804 4.4 2.8 266 0.3420
四、应用
为了更好地理解和说明生物过程优化的方法,下面以 为了更好地理解和说明生物过程优化的方法 下面以 我们的研究结果为例进一步说明。 我们的研究结果为例进一步说明。 我们根据代谢控制育种理论，利用理性育种技术， 我们根据代谢控制育种理论，利用理性育种技术，以 黑曲霉ATCC2660作为出发菌株，经过紫外与亚硝基 作为出发菌株， 黑曲霉 作为出发菌株 胍联合诱变， 胍联合诱变，筛选到一支抗叠氮化钠的高产核糖核酸 酶的突变株SA-13-20。首先利用单次单因子法，确定 酶的突变株 。首先利用单次单因子法， 了其发酵培养基为: 葡萄糖30g/L，玉米粉 了其发酵培养基为 葡萄糖 ，玉米粉120g/L, NH4NO32g/L, K2SO40.087g/L, pH2.2。 。 为了确定培养基各成分和培养条件对发酵产酶的影响， 为了确定培养基各成分和培养条件对发酵产酶的影响， 利用Plackett-Burman设计对总碳量、葡萄糖与玉米 设计对总碳量、 利用 设计对总碳量 粉比例、 起始pH和接种量等 粉比例、NH4NO3量、K2SO4量、起始 和接种量等 6个因子进行了研究。实验方案及其结果见下表。 个因子进行了研究。 个因子进行了研究 实验方案及其结果见下表。
4. 优化
对回归方程求导， 便可得到其极值点， 对回归方程求导 ， 便可得到其极值点 ， 即最优化的 条件。 条件。 各因子的响应面等高图能够直观地描绘各因子相互作 用的情况。如等高线为圆形， 用的情况。如等高线为圆形，则说明因子间的相互作 用可忽略；若为椭圆或马鞍形， 用可忽略；若为椭圆或马鞍形，则因子间的相互作用 对考察目标是非常明显的。 对考察目标是非常明显的。 另外，响应面等高图同样能求出最优化条件。 另外，响应面等高图同样能求出最优化条件。

发酵过程控制与优化ppt课件

发酵过程控制与优化ppt课件
参数，使有利于生
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。

发酵过程的优化与放大

发酵过程的优化与放大

?均匀分布法
?响应面法
?发酵过程的操作与控制 ?通气与搅拌
?补料
? 根据模型流加
X 1V1 ? X 0V0 exp ? t ? G ? X 0V0 exp ? t
YX /S ? (SF ? S )
? 碳源的限制性流加
? 周期补料
? 带放
?发酵过程优化
?发酵的动力学研究 : 结构（structured ）模型：细胞具有结构 非结构（ unstructured ）模型：细胞不具有结构 分离（segregated ）模型：细胞间具有差异 非分离（ unsegregated ）模型：细胞间没有差异
发酵过程的优化与放大
发酵过程的工艺控制，就是通过对微生物 所处环境的控制，来影响其代谢，使代谢流更 多地转向目标产物
?限制性底物
?连续培养优化培养基
dX ? ( ? ? D ) X ? 0
dt
S?
K SD
?m ? D
X
? Y X /S (S F ?
K sD )
?m ? D
?多因素优化法 ?正交法
OUR
K La ?
K
DL D2
D (
2N? ?
) 1.5 ( DN g
2
) 0.19 (
?
) 0.5 ( ? v s ) 0.6 ( ND
?DL
?
vs
) 0.32
? 以混合时间相同作为放大的准则
? 采用单位体积搅拌功率、搅拌器叶端线速度等相 同准则
放大的影响因素 ?过载
通气量过大，搅拌桨会在气泡中空转，搅拌功 率大大下降，使 KLa下降，称为“过载” ? 采用轴向流搅拌桨 ? 增加涡轮搅拌桨的叶片数 ?混合 ? 采用轴向流搅拌桨和涡轮搅拌桨结合的组合桨 ? 降低补入的培养基浓度 ? 补料液分多股加入 ? 补料液加到通入罐内的无菌空气中

发酵过程优化与放大概论

发酵过程优化与放大概论

优化发酵过程可以提高生产效率、降 低成本，为企业带来经济效益。
可持续发展的推动力
发酵过程具有低能耗、低排放、高效 率等优势，是实现可持续发展的重要 手段。
发酵过程优化的目标
提高产物浓度
通过优化发酵条件，提高目标产物的浓度，从而提高产品的质量和产 量。
降低成本
通过优化发酵过程，降低原料、能源和水的消耗，从而降低生产成本。
挑战
放大过程中可能面临生物反应器设计、 流动特性、传质和传热等方面的挑战， 需要解决放大效应带来的问题。
放大策略与方法
策略
采用适 效应的影响。
方法
采用先进的生物反应器技术，如循环 流化床生物反应器、固定床生物反应 器等，以提高生产效率。
放大过程中的参数控制
产物生成速率与微生物 生长速率和产物浓度有 关，通过控制发酵条件 可以调节产物生成速率。
底物消耗速率
底物消耗速率影响发酵 过程的效率和产物产量， 通过优化底物供给策略 可以降低底物消耗速率。
发酵过程中的参数控制
温度控制
01
温度对微生物生长和代谢有重要影响，通过调节温度可以优化
发酵过程。
pH控制
02
缩短发酵周期
通过优化发酵条件，缩短发酵周期，提高生产效率。
提高菌体生长和产物合成的稳定性
通过优化发酵条件，提高菌体生长和产物合成的稳定性，减少生产波 动。
02
发酵过程的基本原理
微生物的生长和代谢
1 2
微生物生长阶段
微生物在发酵过程中经历适应期、对数生长期、 稳定期和衰亡期，每个阶段微生物的生理状态和 代谢产物有所不同。
微生物代谢途径
微生物通过代谢途径将底物转化为所需的产物， 了解代谢途径有助于优化发酵过程。

发酵过程优化与控制PPT课件

发酵过程优化与控制PPT课件
菌种生产性能越高，其生产条件越难满足。
.
3
发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
.
4
分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
.
10
连续发酵
发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相同的流速 放料，维持发酵液原来的体积。（恒化培养）
.
1
发酵过程优化与控制
发酵
狭义——厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成 乳酸或乙醇等的分解代谢过程。
广义——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
.
2
发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
.
23
选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。

张嗣同 发酵工程第九章：发酵过程优化与放大概论(精品课程)6-4

张嗣同 发酵工程第九章：发酵过程优化与放大概论(精品课程)6-4
工艺改进前后葡萄糖激酶时序变 化
0.12 0.1
工艺改进前后磷酸果糖激酶的 时序变化
0.05 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 12h 24h
Δ A/min
0.08 0.06 0.04 0.02 0 12h 24h 36h 40h t / h 44h 48h
►菌体细胞主流代谢流迁移问题是本项目过
程优51篇 出版专著、著作： •多尺度微生物过程优化，化学工业出版社
• Study on Industrial Fermentation Process
on Multi-scale and Its Optimization , Advance Biochemical Engineering/ Biotechnology , 2003 Volume（87） : Biomanufacturing 2004年3月出版
关键技术
跨尺度分析与工艺改进
确定以代谢流由EMP向HMP途径回复迁移为 目标进行过程工艺优化，并以OUR的下降作为 跨尺度操作的相关因子
发现调控因子A加入后短期内OUR的下降速 度就开始放慢，到48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
关键技术
代谢流控制
工艺改进前后的酶活时序变化
Δ A/min
原工艺
新工艺
t / h 原工艺
36h
40h
44h
48h
新工艺
工艺改进前后6-磷酸葡萄糖脱氢酶 的时序变化
0.05 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 12h 24h 36h
工艺改进前后丙氨酸脱氢酶的 时序变化

第十章：发酵过程优化与放大概论

• 只能在接近设定点的情况下有效工作
• 3. 串级反馈控制
• 由两个以上控制器对一种变量进行联合控 制的方法
• 4. 前馈/反馈控制
• 如废水处理系统，分析悬浮固体含量前馈到排 放控制器
• 根据排出悬浮固体含量对排放率进行反馈调节
• 1.2.2 发酵控制系统的硬件结构
• 1. 传感器 • 2. 变送器与过程接口 • 3. 执行机构和转换器 • 4. 监控计算机
• 2. 溶氧
• 复膜溶氧探头
• 银阴极和铅阳极组成的原电池
• 管状银阳极、铂丝阴极、氯化银电解液和极 化电源组成的极谱型
• 产生的电流正比于通过膜扩散入探头的氧量
• 复膜溶氧探头实际测量的是氧分压，与溶氧 浓度并不直接相关，结果用溶氧压（DOT） 表示
• 一般以空气中氧饱和的百分度表示
• 3. 氧化还原电位
不同水平问题的相关
Rpm ↓ DO ↓
OUR
当ＤＯ低于临界
氧浓度（ＣＬｃ)时，
VHB
ＯＵＲ下降，细胞代
谢由好氧向厌氧途径 迁移。
CLC
DO
分子水平 基因工程血红蛋白 hemoglobin (VHB) 对氧的亲和力提高（由图所示），临界氧下降。
2.3 发酵工程控制中二个基本问题——优化与放大
代谢调控研究 代谢工程研究
• 缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的
研究内容
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

第十章 发酵过程的实验室研究、中试和放大

下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。 符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果 都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功 率乘以涡轮的个数。
3，通气液体机械搅拌功率的计算
迈凯尔的修正关系式
Pg 2.25(
P02 ND 3 Q
0.08
)
0.39
10
3
计算举例
某细菌醪发酵罐 罐直径T＝1.8(米) 圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮 罐内装四块标准挡板 搅拌器转速N＝168转／分 通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量) 罐压P＝1.5绝对大气压 醪液粘度μ＝1.96×10-3牛· 秒／米2 醪液密度ρ＝1020公斤／米3 要求计算Pg

缺点: 进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会，且搅
拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。
2.3 气升式发酵罐
• 优点：能耗低，液体中的剪切作用小，结构简单，
且由于省去了机械搅拌而不需机械密封，避免了
因机械密封不良造成的杂菌污染。
• 缺点：它不适用于高粘度或含大量固体的培养液。
流 型
特点：剪切作用较强，混合效果较差
轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体 由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底 面再翻上，形成上下循环流）
流 型
特点：剪切作用较弱，混合效果较好
流 型
切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转 运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时 流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很 小，混合效果很差。）
箭叶
+++
+
+
+++
+

发酵过程的优化与放大


生产菌株的稳定性 培养基灭菌的影响 分批灭菌和连续灭菌 放大中操作和工艺的调整
发酵放大实例介绍
密比霉素发酵 Pneumocandin发酵 bialaphos发酵
密比霉素发酵
bialaphos发酵
发酵中变量的相关性研究
发酵过程放大 放大方法: 根据产品需求,确定生产发酵罐的大小,进而确定 搅拌转速和通气量 维持大型反应器与模拟反应器相同的供氧能力
dc L OTR OUR K L a(c cL ) OUR dt DL D 2 N 1.5 DN 2 0.19 0.5 vs 0.6 ND 0.32 KLa K 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) D g DL vs
发酵过程的模型化
根据发酵过程的特点建立模型 根据实验数据确定模型参数 对发酵过程进行模拟 对发酵过程进行优化
模型参数的估计
• 选取模型参数的初值
• • • • 计算模型计算值与测定值误差平方和 采用最优化方法得到新的模型参数值 计算新的误差平方和值 与第2项之值比较，若差值不满足要求，将项3 得到的参数值作为新的初值，回项3重复进行； 若差值满足要求则结束计算
发酵过程的优化与放大
发酵过程的工艺控制，就是通过对微生物 所处环境的控制，来影响其代谢，使代谢流更 多地转向目标产物
限制性底物
连续培养优化培养基
dX ( D) X 0 dt KS D S m D X YX
/S
(S F
Ks D ) m D
多因素优化法
以混合时间相同作为放大的准则 采用单位体积搅拌功率、搅拌器叶端线速度等相 同准则
放大的影响因素 过载 通气量过大，搅拌桨会在气泡中空转，搅拌功 率大大下降，使KLa下降，称为“过载” • 采用轴向流搅拌桨 • 增加涡轮搅拌桨的叶片数 混合 • 采用轴向流搅拌桨和涡轮搅拌桨结合的组合桨 • 降低补入的培养基浓度 • 补料液分多股加入 • 补料液加到通入罐内的无菌空气中

发酵—微生物细胞加工技术过程优化与放大

• 传统发酵工程：利用微生物的生长和代谢活 动来大量生产人们所需产品的过程理论与工 程技术体系。该技术体系主要包括菌种选育 与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合 成与分离纯化制备等技术集成。
发酵工程：利用微生物、植物、动物，在合适的条件下， 经特定的代谢途径生产所需产品的过程。
• 现代发酵工程：是将DNA重组及细胞融合 技术、酶工程技术、组学及代谢网络调控 技术、过程工程优化与放大技术等新技术 与传统发酵工程融合，大大提高传统发酵 技术水平，拓展传统发酵应用领域和产品 范围的一种现代工业生物技术体系（新一 代工业生物技术）。强调现代生物技术、 控制技术和装备技术在传统与现代发酵工 业领域的集成应用。
传统发酵工业：酿造及食品 业、抗生素、氨基酸、核苷 酸、有机酸、饲料添加剂、 微生态制剂、生物农药、生
物肥料等
现代发酵工业：基因工 程药物、细胞工程药物、
疫苗；替代石油工业的 大宗量的生物基化学品等，
以及传统发酵工业升级。Leabharlann 传统大型发酵工 业的中央控制
现代发酵工业 的中央控制
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• 测定发酵液中氧化剂（电子供体）和还原剂（电
子受体）之间平衡的信息 • 用一种由Pt电极和Ag/AgCl参比电极组成的复合
电极与具有mV读数的pH计连接 • 受温度和溶氧压的影响
• 发酵液中溶氧压很低时，超出溶氧探头 的极限，氧化还原电位可弥补 这一点
• 4. 溶CO2
• 较高的分压抑制微生物生长并降低次级代谢产物 的量
第二部分
生物反应器过程的多尺度理 论──发酵过程优化与放大
基础
发 酵 工 程 ── 利用微生物进行产品生产
传统生物技术
抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、
有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、
生物农药、生物肥料等
现代生物技术 基因工程菌发酵
基因工程药物、疫苗及抗体产品
医药、化工、轻工、食品、农业、环保等行业
• 1.2.1.2 反馈控制
• 传感器检测被控输出量，反馈到控制系统，控制 器根据与预定值的比较，得出偏差，进而控制动 作
• 1. 开关控制
• 2. PID控制
• 当控制负荷不稳定时，可采用比例（P）、积分 （I）、微分（D）控制算法，简称为PID控制
• P、I、D控制信号，分别正比于被控过程的输出 量与设定点的偏差、偏差相对于时间的积分和偏 差变化速率
不同水平问题的相关
Rpm ↓ DO ↓
OUR
当ＤＯ低于临界
氧浓度（ＣＬｃ)时，
VHB
ＯＵＲ下降，细胞代
谢由好氧向厌氧途径 迁移。
CLC
DO
分子水平 基因工程血红蛋白 hemoglobin (VHB) 对氧的亲和力提高（由图所示），临界氧下降。
2.3 发酵工程控制中二个基本问题——优化与放大
代谢调控研究 代谢工程研究
——“发酵工程控制”的出现 “内部控制”：如何可改变细胞的遗传组成和细胞
“发酵工程控制”
的代谢生理特性——代谢工程
“外部控制”：物理和化学环境条件控制
外部控制是基于内部控制调节，但是在研究和过渡的方法上又
是不同的，特别在抗生素类微生物次级代谢产物的发酵生产上。
“发酵工程控制”所面临的任务之一，就是在已 提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培养过程
─── 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
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
• 发酵动力学提供了理论依据
• 工程学方面的实际问题：环境因素 的检测与自控问题
• 1.1 发酵过程检测
•1.1.1 概述
• 测定发酵过程中数据，以便对此过程进行 有效的控制
• 具体目的：过程变量与预期是否一致，决 定种子罐移种时间与放罐时间，对不可测 变量进行估计，手动或自动控制，计算机 控制，收集数据
• 传感器（发酵罐）标准电信号仪表显示 或传送给计算机
• 1.1.2.1 对传感器的要求
• 可靠性，准确性，精确度，响应时间，分辨 能力，灵敏度，测量范围，特异性，可维修 性，特殊要求（如是否能与发酵液同时进行 灭菌等）
• 1.1.2.2 发酵用传感器的分类
• 1. 按测量方式分 • 离线传感器：不安装在发酵罐内，人工取样 • 在线传感器：自动测定，流动注射分析系统
• 1.1.3 发酵过程其他重要检测技术 • 1.1.3.1 生物量分析
1. 干细胞浓度 2. DNA含量 3. 沉降量或压缩细胞体积 4. 粘度：丝状菌生长和自溶，与生物量不直
接相关，旋转粘度计 5. 浊度 6. 过滤探头：过滤特性和细胞浓度及形态 7. 荧光：NADH反应细胞的活性
• 1.1.3.2 尾气分析
中进一步考察它的生理生化特性，稳定或改进
微生物反应工艺过程，这里不仅要求对生物物性的动态有
详尽的了解，对生化反应做定量的和动力学方面
的考察，还需具有工程学的技巧，才能充分发掘和
利用生物体系的潜力。另一方面，计算机技术的高度发展 也在客观上为分析和优化控制这种复杂的发酵过程提供基 础，因此，借助于计算机系统对发酵过程进行数据处理， 分析和控制就愈来愈成为人们的迫切要求。
• 分析尾气中O2的减少和CO2的增加 • 1. 红外CO2分析仪 • 2. 顺磁O2分析仪 • 3. 质普仪
• 1.1.3.3 发酵液成分分析
• 高效液相色普（HPLC） • 选择适当的层析柱、操作温度、溶剂系统
等，样品要要经过亚微米级过滤
• 与自动取样系统连接
• 1.2 发酵过程自控
• 根据对发酵过程变量的测量和过程变化规
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
第三部份
发酵过程参数相关分析 与控制
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 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 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。
第十章 发酵过程优化与放大
本章提要
• 发酵过程检测与自控 • 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
第一部份 发酵过程检 测与自控
(简介一些控制的基本常识）
• 发酵过程的任务：使菌株的生
产能力高效表达，以较低的物料消 耗获得更多的发酵产品
• 缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的
研究内容
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
• 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、 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。
• 灵敏度高（ppm），但不能蒸汽灭菌
• 2. 生物传感器
• 将生物学敏感材料固定化的传感器，将生物信号转 化为电信号
• 生物学元件：由单酶、多酶体系、抗体、细胞
器、细菌、动植物细胞或组织等生物材料通过表面 共价结合、物理吸附、包埋而固定
• 转换器：电位计、安培计、量热计、光度计
• 信号、数据处理系统：
• 由一支pH探头浸入被可穿透CO2的膜包裹的碳 酸氢盐缓冲液中
• 缓冲液与被测发酵液中的CO2分压保持平衡，缓 冲液的pH可间接表示发酵液中的CO2分压
• 1.1.2.4 发酵检测用新型传感器
• 对生物反应中重要的参数如生物量、基质和产物 浓度的信息
• 1. 离子选择电极
• 是对某种离子呈特异性反应的电化学传感器 • 由离子选择膜、连通介质和参比电极组成
• 2. 溶氧
• 复膜溶氧探头
• 银阴极和铅阳极组成的原电池
• 管状银阳极、铂丝阴极、氯化银电解液和极 化电源组成的极谱型
• 产生的电流正比于通过膜扩散入探头的氧量
• 复膜溶氧探头实际测量的是氧分压，与溶氧 浓度并不直接相关，结果用溶氧压（DOT） 表示
• 一般以空气中氧饱和的百分度表示
• 3. 氧化还原电位
物细胞不断从外界环境中摄取物质进入细胞，根据生命体固 有的遗传信息，在复杂而精细的调节下进行系列动态反应， 获得生存所需的能量，并把代谢产物排出体外，从而生命得 到维持。发酵产物是在反应过程中或终点产生的，作为物质 代谢综合平衡的物质。
微生物细胞代谢与环境过程示意图
基因水平的信息流 的空间与时间特征
生物反应器 谢流产生影响
细胞代谢流分布 物料和能量供应上对代
当前生物工程技术发展的特点是化学工程与生
物技术的深度结合,微尺度的工程学观点研究过
程特性 宏观
微观
——生物细胞与环境之间的相互作用与适应性——
工程水平←→细胞水平←→分子水平
工程水平级的问题：化工过程中的三传:热量传递、质量传递、动量传 递 细胞水平级的问题：主要是胞内酶系统及代谢过程的研究 分子水平级的问题：遗传物质的基因结构及对蛋白质、酶合成的调节机 制，它们之间有着相互影响。 过程检测只能是环境中的状态或操作量的变化值，通过进一步分析， 可以得到反应细胞水平，乃至分子水平的生命变化的信息。
发酵行业生产的主要问题
提高产品的市场竞争能力，降低成本， 提高质量：过程优化与小试放大
优化：过分强调常规的菌种选育或基因 工程菌的构建
放大：采用化学工程常规的静态方法 对于活体细胞调控来说，采用传统的生 物学方法或化学工程的调控方法，存在很 大的问题，国内外都没有很好解决。
生化工程工作者面前的任务： * 如何设法调节控制这种作用——优化 * 按照经济原则将实验室的控制结果扩大到大型生产规模——放大
• 物理测量：温度、压力、体积、流量等
• 物理化学：pH、溶氧、溶CO2、氧化还
原
•
电位、气相成分分析等
• 化学测量：基质、前体、产物等的浓度
• 生物生化：生物量、细胞形态、酶活性、
• 胞内成分等,提供反映环境和细胞代谢生理变化的
连模：连续模拟 间歇：间歇模拟
• 分批发酵过程检测系统的配置
•1.1.2 发酵传感器
（FIA），（HPLC）或质普仪等 • 原位传感器：直接与发酵液接触，给出连续
的响应信号，如温度、压力、pH、溶氧等
• 信号不受操作者干扰，直接输入计算机
• 1.1.2.3 发酵过程的主要在线传 感器