发酵过程优化与放大概论 华东理工大学 国家生化工程技术研究中心(上海) 庄英萍
发酵过程优化与放大概论 华东理工大学 国家生化工程技术研究中心（上海） 庄英萍
本章提要 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
本章提要 ►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
第一部分 生物反应器过程的多尺度理论── 发酵过程优化与放大基础
代谢调控研究 发酵罐 代谢工程研究 过程数据采集发酵过程酶 和处理的困难研究的困难 发酵工艺优化研究 的基本思路 单一生理调控机制 缺乏全局性的概念 仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pH、D等 缺乏微观的实时的代谢调控
• 仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pH、DO等 • 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 的基本思路 发酵罐 单一生理调控机制， 缺乏全局性的概念
背景和原理 °测量参数及其变化的意义缺乏理解 °最佳工艺控制点为依据的静态操作方法, 只是化学工程宏观动力学概念在发酵工 程上的简单延伸 °缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的 研究内容
•测量参数及其变化的意义缺乏理解 •最佳工艺控制点为依据的静态操作方法， 只是化学工程宏观动力学概念在发酵工 程上的简单延伸 •缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的 研究内容 背景和原理
不同尺度的网 碳源比诮耗率 基因尺度 比生长速率 基因剂量,拷贝数,质粒复制 DNA转录,转录效率, rDNA,RNA,蛋白质稳定 H比程放率 源比诮耗率 络状态关系 生物细胞[热比 氧比呼吸率 细胞尺度 重组蛋白合成,细胞蛋白合成,酶 co比释放率 前体比逍耗率 台培赛,形态特[产物比生产率 生命所特有的信息流、 内邮友 数据处理 物质流、能量流 检测堂 碳 具有“变化着的结构 氮源 反应器尺度 氮源比诮耗宰 氧比呼吸 不仅是线性或动力学 前体量 前体比诮耗率 因素 生物反应器 Pco c比释放率 度 热比释放率 跨尺度测量与控制 H'比释放率 往往以各自研究的技 生长 比生长速率 加氯源 稀释率 术背景从单一尺度去 热量 加碳源 理解和分析研究生物 搅拌转速 过程的特点 操作皇
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 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
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 ─── 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
具有“变化着的结构” 当生物反应器尺寸或操作条件变化时, 发生的结果变化不是简单的用线性关系 或平均统计方法所能描述的物质状态的 变化。 导致过程变化的原因除了线性或动力 学因素之外,往往还发生在系统结构性 的突变
具有“变化着的结构” 当生物反应器尺寸或操作条件变化时， 发生的结果变化不是简单的用线性关系 或平均统计方法所能描述的物质状态的 变化。 导致过程变化的原因除了线性或动力 学因素之外，往往还发生在系统结构性 的突变
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 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
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 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
第二部分 发酵过程优化控制中的方法和手段
第二部分 发酵过程优化控制中的方法和手段