庄英萍发酵过程参数相关分析原理及应用.pptVIP

大型搅拌装置改造与生产工艺改造 160m3工业规模发酵罐搅拌系统进行改造，发酵单位提升20%以上 （工厂开车后多年没有解决的问题4个月解决） 建立了新型碳源替代豆油新工艺，生产成本又降低了30%以上 Li JH, et al. Bioprocess Biosystems Engineering, 2010, 33?: 1119 企业年生产能力由400吨提高到780吨 为新厂区建设提供了依据 建设中的新厂区 建成的新车间 致谢 国家“973”计划：2007CB714303 国家“863”计划：2006AA020302 、2006AA020304 、2006AA100601-2 国家支撑计划：2008BAI63B01 、2007 BAI26B02 、2007BAI46B06 上海市科委基金：07DZ22914 生物反应器工程国家重点实验室、国家生化工程技术研究中心（上海）、上海生物过程工程服务平台 谢 谢！ Thanks! * * * * * * * * 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（OTR）下降必然引起溶解氧浓度（DO）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 如果DO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 当DO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 ─── 发生反应体系的结构性变化。 生物相关：OUR与DO的基本相关特征 OUR DO rpm 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) 氧消耗速率OUR与DO的基本相关特征 临界氧浓度的发现 生物相关：排气二氧化碳浓度和排气氧浓度的相关性 菌体耗糖形成二氧化碳时，必须提供氧作为生物氧化所需。因此在排气成份分析中，可以很明显地得到氧浓度降低和二氧化碳浓度升高的对应关系曲线，其相关深度可用呼吸商： RQ=(CER) / (OUR)来表示。 呼吸商(RQ)变化的生物学意义 表征不同的代谢途径 厌氧代谢、耗氧代谢 不同的耗氧代谢途径间的差异 表征不同的基质利用情况 基质还原性强与弱的差异 相关性分析：发酵过程中加油的作用 消泡 释放CO2 (h) EO2 ECO2 DO 作为碳源利用 (h) RQ OUR CER DO 改变流变特性 (h) OUR CER DO KLa 加糖 加油 作为氧载体 提高对氧亲和力 (h) 主要内容 发酵过程的参数分类 参数相关分析--理化相关、生物相关 参数相关分析应用举例 红霉素工业生产菌的改造与过程优化、放大 目标：提高红霉素A含量，提高产量 红霉素A 红霉素B 红霉素D 红霉素C EryK EryK EryG EryG 1 1 3 4 5 6 3－强化红霉素基因合成簇表达 4－强化丙酸激酶表达 5－强化甲基丙二酰CoA变位酶表达 6－调控丙酰CoA羧化酶表达 7－强化ppGpp合成酶表达 组分优化为目标的菌种基因工程改造 A C B ZL1004, ZL1007： 去除了副产物（红霉素B、C） 产量提高25％ Chen Y, et al. App Environ Microbiol 2008, 74:1820 强化并调控羟基化酶和甲基化酶表达提高红霉素A产量 杂质含量降低、发酵单位提升 B、C组分：3-7%→1.5% 生产水平：4000 → 9000 U/ml 优化 (多尺度关联分析） 放大 （流场与生理） B、C组分（杂质）去除的基因工程改造 生产水平严重下降(8000→4000 U/ml) 系统生物学问题 （120m3） 红霉素基因工程菌大规模发酵实验获得成功 计算流体力学（CFD）模拟：温度、浓度、剪切、…等流场 372 m3试验发酵罐 50 L → 372 m3 6500→9000 U/ml 生理特性验证 372 m3高耗氧搅拌发酵罐（国际上未见报道） 高吨位红霉素工业发酵罐放大 流场验证 具有多点DO测定的372 m3发酵罐 上层 DO 中间 DO 下层 DO 使代谢流曲线具有相同的趋势（宏观动力学特征一致） Upside Midlle side Underside Zou X, et al. Bioresource Technol 2009 100:1406 Zou X, et al. Bioresource Technol 2009, 100:3358 流场特性验证结果  ── 多点DO测定 三期工程建设情况 372 m3×10 全自动控制与灭菌 发电联用与清洁生产 放大成果推广 先进的检测仪表与控