以发酵过程多尺度为核心内容的发酵放大

gl19860312

以发酵过程多尺度为核心内容的发酵罐
设计与操作条件研究
                华东理工大学，国家生化工程技术研究中心（上海）
                                上海国强生化工程装备有限公司

1、发酵过程多尺度理论及过程优化与放大
为了实现微生物发酵过程优化，往往从各自研究的技术背景出发，以单一尺度去理解和分析过程特点，长期来把注意力放在菌种的筛选或基因工程菌的构建上，忽视工程问题所引起的优化问题。此外，由于发酵过程特征数据采集的困难和过程酶学研究的困难，发酵工艺开发研究时只能采用最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，缺乏代谢流变化的实时分析。所依据的基本思想和方法都是采用传统的生物学方法或化学工程的宏观动力学的调控方法，这对活体细胞的发酵调控来说存在很多问题，因此长期来有关发酵过程优化与放大，国内外都没有很好解决。
以华东理工大学张嗣良教授为首的国家生化工程技术研究中心（上海）提出了以活细胞为主体的细胞大规模培养的生物反应过程，可以分为基因分子尺度、细胞尺度与生物反应器尺度的网络结构，是不同尺度的网络状态关系。认为跨尺度观察与控制是微生物过程优化的关键，由此形成了一套形成了基于参数相关的发酵过程多水平问题研究的优化技术和发酵过程多参数调整的放大技术。随着过程传感技术和计算机技术的发展，设计了一种用于生物过程多尺度研究的新概念发酵装置，利用该装置技术在实验室规模实现各发酵产品的过程优化研究，其优化结果一般可由几十升发酵罐直接放大到上百M3的工业生产发酵罐。
采用该项目技术原理和装置对各种发酵产品开展研究，发现了红霉素发酵生产过程中黄豆饼粉与葡萄糖作为碳源竞争性利用时对次级代谢的影响机制，使发酵水平由5000u/ml提高到8400u/ml，打破了二十多年来我国红霉素发酵水平停止不前的局面，进入了国际先进水平；金霉素发酵在实验室发酵罐取得成功后，实现了1500公里外由上海至内蒙的远程发酵过程诊断，直接放大到120M3发酵罐，达到提高发酵水平30%以上的国内领先水平；广东星湖公司的鸟苷发酵，发现了代谢流迁移，经深入研究，使发酵水平达到了国际先进水平，由17g/L提高到34g/L，在与国外产品的市场竞争中获得了成功；WHO项目由上海第二军医大学构建完成的Pichia酵母表达系统的基因工程疟疾疫苗高密度高表达由70mg/L提高到2600mg/L，达到了国际领先水平；基因工程白蛋白由700mg/L提高到7g/L。我们先后对青霉素、红霉素、饲料金霉素、链霉素、黄霉素、泰乐霉素、棒酸、鸟苷、肌苷、基因工程白旦白、基因工程疟疾疫苗、基因工程植酸酶、胰岛素原（PIP）、基因工程必特螺旋霉素进行研究，分别提高了20%到成倍增加。
该项目装置的推广应用，推动了我国包括传统生物技术和基因工程技术在内的发酵行业现代化技术改造，缩短了这一领域内的国际差距。目前正在推广应用的企业和研究单位来自全国各地已达三十多家，涉及抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环保等行业，社会效益巨大，研制的装备改变了我国生物反应器技术的落后状态，为形成我国自主产权的商品化生物反应器的支撑产业起了重要的推动作用。1997年，鉴于在华北制药厂青霉素发酵的研究成积，获国家科技进步二等奖。2001年本项目进一步深入研究，又被评为上海市科技进步一等奖。2002年被评为国家科技进步二等奖。2003年，采用本装置技术的的鸟苷生产和基因工程植酸酶又分别获二项上海市科技进步一等奖。

2.大型生物反应器设计与制造技术研究
几十年来随着发酵工业的快速发展，发酵工程趋向设备大型化、高效和自动化。以传统生物技术产品来说，一些氨基酸、抗生素或发酵轻化工产品都在几十到100M3以上，一些原来是小规模发酵罐的老厂搬迁新厂区，发酵罐的规模也普遍要求放大。基因工程产品一般附加值高，不需要大型生物反应器，但近年来随着基因工程酶生产技术的发展，如基因工程植酸酶的研究成功，由于饲料掭加剂的需求量大，用于基因工程高密度高表达的大型生物反应器研制已势在必行。
目前国内发酵过程工业放大主要是根据经验放大，例单位体积功率相等、单位体积通气比相同或选用相同的搅拌桨型式等，实际请况很难把握。后来又引进了化学工程的冷态试验方法，对罐内流型进行了充分研究，最后根据这些混和传递特点，进行大型生物反应器设计。但实际情况有时偏差也很大。
发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素设有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败。为此，我们在发酵过程放大研究时，提出了在以代谢流分析与控制为核心的发酵实验装置上进行研究，由此可得到用于过程放大的状态参数和代谢流参数，只要我们在放大的设备上得到完全相同的反映代谢流的数据变化曲线，就可以较好地克服上述放大过程中的问题，因而提出了发酵过程参数调整的放大技术。
但是以上工作还只是生理代谢参数相似的放大原则，并不能代表大型发酵罐的几何结构和动力结构等可设计参数的确定，也就是说在放大规模的状态参数转化为操作或设计参数又有一个研究过程，需要在积累性的工作基础上提升到理论和方法。例如根据OUR、KLa以及所选用的搅拌桨特性测算不同发酵罐规模所需的搅拌功率研究；根据OUR与菌体细胞剪切适应量选择不同规模发酵罐的搅拌器形式、转速或其他结构的研究；搅拌器的混和与剪切特性的冷态研究，计算流体力学的应用研究；大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡研究，以及传动装置技术和整体罐结构设计研究；根据耗氧率进行发热量估计及传热面积的研究：不同传热结构（夹套、蛇管、半园管和激光焊接膨胀型蜂窝夹套）的传热效果、强度、无菌性能和造价研究；放大效应的计算机控制补偿的设计研究以及具有补偿控制能力的计算机数据采集与控制系统；以及上述研究的数据库建立与推广应用。
因此，如何在放大的罐体上实现达到相同代谢流参数的目标的设计，需要从化学工程、机械制造到计算机控制技术的努力。上述内容国内基本上都设有作深入研究，有关理论与方法基本上是空白，完全靠实际生产经验，必需组织力量认真解决。

gl19860312

3、举例：高性能高强度的抗生素发酵罐设计

        高耗氧：OUR达90以上
        高功率：3-3.5KW/M3，180M3发酵罐需560KW
        必需用国外变速箱，国内长城最多做到120KW，且用皮带论
        桨叶选型与设计要求高：供氧、全釜混合、剪切要求
        桨叶型式与空心轴加工要求高，国内能加工的单位很少
        罐顶承受不了电机与减速箱的重量，必需罐外支架承重，带来搅拌轴精确安装的困难
        发酵罐密封装置的设计与安装要求提高
        发热量大：1000O千卡/M3以上，再由于大罐的单位体积传热面积减少，由此造成的传热困难，即传热面积不够，特别对于南方，矛盾更突出，且带来的用水成本提高
        只有采用蜂窝夹套可以解决，我们具有激光焊接的蜂窝夹套与档板制造能力
        由此而带来的新型高性能高强度的大型发酵罐整体重新设计、加工制造与安装调试
        过程工艺要求高：供氧、补料、基质利用的转换（糖与油）、菌体生长与生产、菌丝形态
        发酵过程检测与控制系统设计：除工艺操作和发酵过程管理外，应加强以多尺度为核心的过程相关分析，以便及时发现包括设备、种子、原材料、过程操作…中的问题。
        检测系统的设计：特别是有关质谱仪的使用
        计算机控制硬件系统的设计
        以过程分析为核心的软件系统的设计
        中试系统的设计
        菌种室的设计与调整
        车间（包括动力、冷冻）的设计与调整


                                             2007年11月16日