生工程参数检控第一章

1、生化过程参数检测与控制生化过程参数检测与控制张嗣良张嗣良 庄英萍庄英萍2009.9课程总体内容（课程总体内容（1 1）第一部分第一部分 前言前言张嗣良，庄英萍张嗣良，庄英萍工业生物技术产业与生物加工技术工业生物技术产业与生物加工技术发酵工程控制的历史发展发酵工程控制的历史发展发酵工程控制中二个基本问题发酵工程控制中二个基本问题优化与放大优化与放大经典的发酵工程生物学与工程学基础经典的发酵工程生物学与工程学基础生物过程研究理论与技术进展生物过程研究理论与技术进展第二部分第二部分 生物反应器过程的多尺度系统生物反应器过程的多尺度系统张嗣良张嗣良生物反应器过程的多尺度效应与工程学原理生物反应器过程的

2、多尺度效应与工程学原理细胞代谢流分析为核心的发酵工程关键技术细胞代谢流分析为核心的发酵工程关键技术方法和装备技术研究方法和装备技术研究应用与结果应用与结果第三部分第三部分 发酵过程参数相关特性发酵过程参数相关特性庄英萍庄英萍 发酵过程参数发酵过程参数 参数相关基本特性参数相关基本特性 理化相关、理化相关、 生物相关生物相关 应用案例应用案例第四部分第四部分 生物反应过程的参数检测与控制生物反应过程的参数检测与控制- -杭海峰杭海峰 前言前言 计算机控制系统计算机控制系统 仪器、仪表、传感器仪器、仪表、传感器 几种典型的计算机控制系统几种典型的计算机控制系统课程总体内容（课程总体内容（2 2）第

3、五部分第五部分 发酵过程的定量分析发酵过程的定量分析黄明志黄明志 过程定量信息的获取过程定量信息的获取 代谢流分析代谢流分析 菌性定量分析菌性定量分析课程总体内容（课程总体内容（3 3）参考教材参考教材 第一部分第一部分 前言前言 生物技术产业化与生物生物技术产业化与生物加工技术加工技术生命科学与生物技术为生物技术产业化提生命科学与生物技术为生物技术产业化提供了重要基础供了重要基础 人类对生命本质规律的认知将更加科学化、标准化、人类对生命本质规律的认知将更加科学化、标准化、定量化。人类基因组、结构和功能、生物芯片、技术定量化。人类基因组、结构和功能、生物芯片、技术生物信息学、系统生物、体细胞克

4、隆、干细胞和组织生物信息学、系统生物、体细胞克隆、干细胞和组织工程工程推动农业第二次绿色革命，大幅度提高农业数量、质推动农业第二次绿色革命，大幅度提高农业数量、质量与效益。转基因技术、克隆技术、生物肥料、生物量与效益。转基因技术、克隆技术、生物肥料、生物农药、饲料生物添加剂、生物节水型和水高效利农药、饲料生物添加剂、生物节水型和水高效利用、用、推动第四次医学革命，进一步提高人类健康水平，延推动第四次医学革命，进一步提高人类健康水平，延长寿命。新型疫苗、诊断技术、生物药物、基因治疗长寿命。新型疫苗、诊断技术、生物药物、基因治疗技术、再生医学的发展、技术、再生医学的发展、全球基因工程药物市场增长情

5、况引自引自“中国医药生物中国医药生物技术技术”，20092009，4 4（2 2）推动第三次化学工业革命，发展推动第三次化学工业革命，发展 绿色制造业绿色制造业 ，加速，加速传统产业升级。将使传统化学、食品、发酵、塑料、传统产业升级。将使传统化学、食品、发酵、塑料、纺织、造纸、制糖工业生产手段发生根本性改革。纺织、造纸、制糖工业生产手段发生根本性改革。生物质能将成为能源的重要组成部分，大幅度增加农生物质能将成为能源的重要组成部分，大幅度增加农民收入、改善生态坏境。生物乙醇、生物柴油，民收入、改善生态坏境。生物乙醇、生物柴油，“绿绿金金” ” 代替代替“黑金黑金” ” 。环境生物技术将在改善生态

6、环境，再造中华秀美山川环境生物技术将在改善生态环境，再造中华秀美山川中发挥巨大作用。中发挥巨大作用。生物技术将在保障国家安全中发挥重要的作用。生物技术将在保障国家安全中发挥重要的作用。生物资源的深度开发将培育一批新的生物产业。特殊生物资源的深度开发将培育一批新的生物产业。特殊用途的植物，具有特殊活性物质代谢的微生物，如抗用途的植物，具有特殊活性物质代谢的微生物，如抗肿瘤、抗病毒、酶抑制剂、抗生素肿瘤、抗病毒、酶抑制剂、抗生素等等海洋生物产业逐步兴起，促进海洋经济的发展。海洋生物产业逐步兴起，促进海洋经济的发展。生物技术在可持续发展中的重要作用生物技术在可持续发展中的重要作用 以物质转化为基础的

7、化学加工业是国民经济的支柱产以物质转化为基础的化学加工业是国民经济的支柱产业之一，而这些化石资源正逐步枯竭，使人类社会面业之一，而这些化石资源正逐步枯竭，使人类社会面临资源短缺的严峻形势。临资源短缺的严峻形势。传统的化学加工过程污染与低效问题严重，例如废气传统的化学加工过程污染与低效问题严重，例如废气中释放的二氧化碳和二氧化硫造成的环境危机（包括中释放的二氧化碳和二氧化硫造成的环境危机（包括温室效应），工业固体废物占用大量土地，并对空气、温室效应），工业固体废物占用大量土地，并对空气、地表水和地下水产生二次污染。地表水和地下水产生二次污染。从源头上开发可持续发展，以代谢工程、生物催化和从源头上

8、开发可持续发展，以代谢工程、生物催化和生物转化为核心的工业生物技术被认为是与医药生物生物转化为核心的工业生物技术被认为是与医药生物技术、农业生物技术一样的第三个重要领域。技术、农业生物技术一样的第三个重要领域。生物经济正在形成生物经济正在形成世界经济中心、文化中心乃至政治中心总是随着科学技世界经济中心、文化中心乃至政治中心总是随着科学技术中心的转移而转移。谁掌握了这种先进科学技术的主术中心的转移而转移。谁掌握了这种先进科学技术的主导权，谁就可能成为世界强国。导权，谁就可能成为世界强国。越来越多的科学家预测，生物工程技术将是新的科技革越来越多的科学家预测，生物工程技术将是新的科技革命的主体，虽然

9、目前全球生物产业的规模还比较小，但命的主体，虽然目前全球生物产业的规模还比较小，但有人预计生物技术的影响将广泛渗透到非生物界领域，有人预计生物技术的影响将广泛渗透到非生物界领域，正在推动生物经济形成。正在推动生物经济形成。生物经济就是建立在生物资源、生物技术基础上，以生生物经济就是建立在生物资源、生物技术基础上，以生物技术产品的生产、分配、使用为基础的经济。物技术产品的生产、分配、使用为基础的经济。 人类基因组测序完成的后向功能基因人类基因组测序完成的后向功能基因组学转变组学转变 功能基因及其表达功能基因及其表达产物的获得。产物的获得。大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行大规模、全方位的蛋白质

10、研究是势在必行大规模基因大规模基因测序测序高通量蛋白生产高通量蛋白生产人类基因组测序完成的后向功能基因组人类基因组测序完成的后向功能基因组学转变学转变 功能基因及其表达产物的功能基因及其表达产物的获得。获得。细胞大规模培养的优化技术对当前生物技细胞大规模培养的优化技术对当前生物技术产业以及今后的潜在发展具有重要影响。术产业以及今后的潜在发展具有重要影响。降低生产成本是新产品开发利用的基本条件降低生产成本是新产品开发利用的基本条件 新方法如果没有明显的成本优势，就不可能被生产所采纳。新方法如果没有明显的成本优势，就不可能被生产所采纳。这些成本降低可以是：这些成本降低可以是：直接成本：如材料或能源

11、投入减少，废物处理成本降低，直接成本：如材料或能源投入减少，废物处理成本降低，资金投入的减少资金投入的减少间接的成本：公众危险性的降低，后处理担负的减少，对间接的成本：公众危险性的降低，后处理担负的减少，对降低全球污染水平的贡献，下游过程的再循环利用等降低全球污染水平的贡献，下游过程的再循环利用等特别是人们认为生物技术能够更好地促进可持续发展，并特别是人们认为生物技术能够更好地促进可持续发展，并且对环境的影响更小时，不仅仅要求考虑今天的生产利润，且对环境的影响更小时，不仅仅要求考虑今天的生产利润，而要从更广阔的考虑长期和短期的平衡。而要从更广阔的考虑长期和短期的平衡。生物工程的任务生物工程的任

12、务必须全力以赴地研究解决生产过程的优化必须全力以赴地研究解决生产过程的优化问题，最大限度地降低成本费用或提高生问题，最大限度地降低成本费用或提高生产利润。产利润。可归类为三个核心问题：可归类为三个核心问题： 发现和发展新产品或技术应用发现和发展新产品或技术应用 发展集成化的产品加工工艺发展集成化的产品加工工艺 设计和模拟新型的改进的工艺过程设计和模拟新型的改进的工艺过程重视生物加工单元技术研究重视生物加工单元技术研究加强生物技术产业化薄弱环节加强生物技术产业化薄弱环节生物加工技术生物加工技术是指使用生物或它的细胞成分，运用化是指使用生物或它的细胞成分，运用化学、物理学和生物学过程对各种材料进行

13、加工的技术。学、物理学和生物学过程对各种材料进行加工的技术。采用这种技术可以制造人们所期望的商品或达到环境采用这种技术可以制造人们所期望的商品或达到环境改造的目的。改造的目的。生物加工过程放大与优化技术是指上述生物加工实验生物加工过程放大与优化技术是指上述生物加工实验室技术放大到工业生产规模，形成商品化生产所需要室技术放大到工业生产规模，形成商品化生产所需要解决的关键技术和装备，达到使其生产成本降至最低，解决的关键技术和装备，达到使其生产成本降至最低，收益最大或符合特殊的安全或环境要求。收益最大或符合特殊的安全或环境要求。生物加工行业间的竞争生物加工行业间的竞争从我国生物技术上游发展情况来看，

14、生物技从我国生物技术上游发展情况来看，生物技术产品的创新是个难点，但仿制或从国外引术产品的创新是个难点，但仿制或从国外引进一个产品品种的上游技术是较容易做到。进一个产品品种的上游技术是较容易做到。生物加工行业间的竞争，实质上是拥有高效生物加工行业间的竞争，实质上是拥有高效的生物加工技术的竞争，即整体的生物加工技术的竞争，即整体各单元基础各单元基础技术的竞争。技术的竞争。 工业生物技术产品生产过程工业生物技术产品生产过程细胞培养细胞培养徽生物、动植物细胞、藻类、基因工程代谢（表代谢（表达）产扬达）产扬生物转化生物转化生物质生物质酶（生物酶（生物催化剂）催化剂）产品产品酶反应（生物催化）分离分离溶

15、媒怯溶媒怯离子交换离子交换沉淀法沉淀法蒸馏蒸馏液固分离液固分离结晶结晶喷雾干燥喷雾干燥小分子小分子大分子大分子各种层析各种层析膜分离膜分离离心离心HPLC制品制品质量质量标准标准包装包装仓库仓库运输运输动植物组动植物组织提取织提取（包括中（包括中草药等）草药等）医药、食品、化工医药、食品、化工品、酶制剂、能源、品、酶制剂、能源、环境保护、环境保护、生物加工单元技术生物加工单元技术 整个研究内容大致可包括细胞大规模培养技整个研究内容大致可包括细胞大规模培养技术、产品分离纯化、工厂车间设计。（上游和下术、产品分离纯化、工厂车间设计。（上游和下游过程，过程监测、优化控制）。游过程，过程监测、优化控制

16、）。(1)(1)细胞大规模培养技术，细胞大规模培养技术，研究过程优化与放大。研究过程优化与放大。其中包括代谢工程、生物量转化及大规模培养中其中包括代谢工程、生物量转化及大规模培养中的工程学研究。的工程学研究。(2)(2)酶反应及加工技术，酶反应及加工技术，其中包括分子酶学、酶其中包括分子酶学、酶工程以及手性药物为目标的酶反应技术等。工程以及手性药物为目标的酶反应技术等。(3)(3)研究开发低产物浓度的生物加工过程物流中回研究开发低产物浓度的生物加工过程物流中回收和纯化产品的技术，特别是大分子活性物质收和纯化产品的技术，特别是大分子活性物质的的分离纯化技术分离纯化技术。其中包括分离技术、介质及。

17、其中包括分离技术、介质及装备技术。装备技术。(4)(4)生物反应器及生物反应器及过程检测与控制技术过程检测与控制技术。其中包括。其中包括大规模细胞及酶反应培养的过程检测与控制。大规模细胞及酶反应培养的过程检测与控制。分离过程检测与控制。建立非线性模型和数据分离过程检测与控制。建立非线性模型和数据采集处理。为过程优化与放大提供依据。采集处理。为过程优化与放大提供依据。(5)过程设计与过程设计与GMP标准，标准，过程设计的目标是将过过程设计的目标是将过程及产率定量化，以便于对采用生物加工指标制程及产率定量化，以便于对采用生物加工指标制造某一产品进行成本预测，并对其他不同的设计造某一产品进行成本预测

18、，并对其他不同的设计进行评估，形成工艺和生产装备路线，以使其生进行评估，形成工艺和生产装备路线，以使其生产成本降到最低，或符合某一特殊标准要求。过产成本降到最低，或符合某一特殊标准要求。过程设计也应注意工程化配套技术与程设计也应注意工程化配套技术与GMP标准的标准的实施，才能最终迅速形成产业化规模。实施，才能最终迅速形成产业化规模。工程化的关键技术问题工程化的关键技术问题 细胞培养细胞培养徽生物、动植物细胞、藻类、基因工程生物反应器生物反应器产品产品代谢（表代谢（表达）产扬达）产扬生物转化生物转化酶（生物酶（生物催化剂）催化剂）酶反应酶反应（生物（生物催化）催化）分离分离制品制品质量质量标准标

19、准包装包装仓库仓库运输运输 原料：原料：碳水化合物碳水化合物碳氢化合物碳氢化合物 生物质生物质医药、食品、化工品、医药、食品、化工品、酶制剂、能源、环境酶制剂、能源、环境保护、保护、l细胞株细胞株l生物反应器过程生物反应器过程细胞细胞株株发现新产品新技术：发现新产品新技术：2l世纪以来，生命世纪以来，生命科学与生物技术不断取得重大突破，为生物科学与生物技术不断取得重大突破，为生物工程的新产品开发或新技术利用提供了重要工程的新产品开发或新技术利用提供了重要基础基础上游研究工作上游研究工作高生产能力：高生产能力：有明显的成本优势有明显的成本优势生物反应器过程研究生物反应器过程研究工程化中的工程化中

20、的关键问题关键问题新的功能基因、功能蛋白、新的功能基因、功能蛋白、组合生物技术，组合生物技术，新疫苗、抗体、抗生素、酶新疫苗、抗体、抗生素、酶制剂、制剂、能源、环境改造、传统工业能源、环境改造、传统工业生产新手段、生产新手段、科学问题？科学问题？细胞大规模培养技术细胞大规模培养技术生物加工技术生物加工技术: :单元基础技术单元基础技术细胞大规模培养细胞大规模培养 微生物、动植物细胞、藻类细胞等微生物、动植物细胞、藻类细胞等细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等占生物技术产品的占生物技术产品的40%40%以上，达以上，达1OOO1

21、OOO亿美元。亿美元。发酵工程是细胞大规模培养技术的典型内容发酵工程是细胞大规模培养技术的典型内容 常规微生物的传统生物技术常规微生物的传统生物技术 基因工程菌培养的现代生物技术基因工程菌培养的现代生物技术 发酵工程的历史发展与现状发酵工程的历史发展与现状发酵工程的发展历史发酵工程的发展历史生物技术产业化的历史生物技术产业化的历史发酵现象发酵现象酿造食品工业酿造食品工业非食品工业非食品工业青霉素青霉素抗菌素发抗菌素发酵工业酵工业氨基酸氨基酸, ,核酸发酵（代谢控制发酵）核酸发酵（代谢控制发酵）基因工程菌基因工程菌动物细胞大规模培养动物细胞大规模培养植物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大

22、藻类细胞大规模培养规模培养转基因动物转基因动物第一个转折点：第一个转折点：非食品工业非食品工业第二个转折点：第二个转折点：青霉素青霉素抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业第三个转折点：第三个转折点：切断支路代谢切断支路代谢: :酶的活力调控酶的活力调控, ,酶的合成调控酶的合成调控( (反馈控制和反馈控制和反馈阻遏反馈阻遏),),解除菌体自身的反馈调节解除菌体自身的反馈调节, , 突变株的应用突变株的应用, ,前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等近代转折点：近代转折点：基因、动物、海洋基因、动物、海洋 发酵现象的早期认识发酵现象的早期认识16801680年制成显微镜年制成显微镜 微生物的存在微

23、生物的存在18571857年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的起的18971897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精酒精 酶酶发酵工程的早期阶段发酵工程的早期阶段 人们的对发酵技术的认识起始于人们的对发酵技术的认识起始于1919世纪末，主要来自世纪末，主要来自于于厌氧发酵，厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。种发酵食品。 2020世纪初期，世纪初期，19161916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产

24、甘油（第一次世界大战）丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）由食品工业向非食品工业发展由食品工业向非食品工业发展好氧发酵技术：好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。微小毛霉生产干酪。 19331933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。养法。生长均匀，增殖时间短。 发酵工程的重大转折点发酵工程的重大转折点 二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，二

25、十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。19281928年由年由 FlemingFleming发现青霉素发现青霉素 19411941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：表面培养：1 1升扁瓶或锥形瓶，内装升扁瓶或锥形瓶，内装200mL200mL麦麸麦麸培养基培养基 40u/ml 40u/ml19431943年沉浸培养：年沉浸培养： 5m5m3 3 200u/ml 200u/ml当今：当今：100m100m3 3200m200m3 3 8-12 8-12万万u/mlu/ml

26、链霉素、金霉素、新霉索、红霉素链霉素、金霉素、新霉索、红霉素主要的技术进展主要的技术进展通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：意义：抗生素工业的发展抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法养方法推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础为现代发酵工程奠

27、定了基础学科发展与属性学科发展与属性 微生物利用工业的迅速发展微生物利用工业的迅速发展产生了生化工产生了生化工程学科程学科发酵工程的三大学科基础发酵工程的三大学科基础微生物学、生物微生物学、生物化学及生化工程化学及生化工程大型发酵罐大型发酵罐搅拌装置搅拌装置发酵车间的空气过滤器发酵车间的空气过滤器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代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术氨基酸发酵工业氨基酸发酵工业谷氨酸、赖氨酸谷氨酸、赖氨酸核酸发酵工业核酸发酵工业肌苷酸、乌苷酸肌苷酸、乌苷酸微生物变异株通过代谢调节微生物变异株通过代谢调节代谢控制发酵技术代谢控制发酵技术切断支路代谢

28、转折点切断支路代谢转折点: : 酶的活力调控酶的活力调控, , 酶的合成酶的合成调控调控( (反馈控制和反馈阻遏反馈控制和反馈阻遏) ) 解除菌体自身的反解除菌体自身的反馈调节馈调节, ,特殊调节控制的利用特殊调节控制的利用, ,突变株的应用突变株的应用, ,前体、前体、终产物、副产物等终产物、副产物等2020世纪世纪7070年代年代 细胞融合技术、基因操作技术细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物：了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物：增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以增加微生物体内控制代谢产物

29、产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量大幅度地提高目标产物的产量将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物中，快速经济地大量生产这些产物将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护动物细胞反应器动物细胞反应器细胞大规模培养技术细胞大规模培养技术细胞大规模培养细胞大规模培养 微生物、动植物微生物、动植物细胞、藻类细胞等细胞、藻类细胞等细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表细

30、胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等达产物和基因质粒等占生物技术产品的占生物技术产品的40%40%以上，达以上，达1OOO1OOO亿亿美元。美元。 发酵工程产业化发展发酵工程产业化发展目前，全球发酵产品的年销售额在目前，全球发酵产品的年销售额在400400亿美元亿美元左右，并以每年约左右，并以每年约7 78 8的速率增长。的速率增长。 我国发酵行业生产企业有我国发酵行业生产企业有50005000多家，主要发多家，主要发酵产品的年产值高达酵产品的年产值高达13001300亿元。亿元。 发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力了巨大的潜

31、力涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题资源与能源等重大问题 发发 酵酵 工工 程程 利用微生物进行产品生产利用微生物进行产品生产抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、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、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业基因工程药物、疫苗及抗体产品基因工程药物、疫苗及抗体产品基因工程菌发酵基因工程菌发酵人类社会经济发展的危机人类社会经济发展的危机 随着人类社会经

32、济发展，当前的能源结构、随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，以及环境保护的急需，如果没有基于科技进步如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。进一步发展的目标。 传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必需走资源节约型、环境友好型的道路必需走资源节约型、环境友好型的道路基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化

33、合物的基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济经济将工业革命世纪转变到生物技术世纪将工业革命世纪转变到生物技术世纪 工业微生物工业微生物有可能将来源于太阳能的可再有可能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。稳定、和国家安全。 Figure1.Idealizedbiorefineryconcept.(ImagecourtesyofOakRidgeNati

34、onalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)发酵工程发酵工程在生物技术产业发展中作用在生物技术产业发展中作用 2121世纪的工业生物技术产业，究竟是世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什么样的格局一个什么样的格局？作为工业生物技术作为工业生物技术核心的生物过程研究，在已经开始的生核心的生物过程研究，在已经开始的生物经济时代，是处于一种什么状态物经济时代，是处于一种什么状态？发酵工程发酵工程能起何种作用能起何种作用？这是人们这是人们所关注的问题所关注的问题！生物工程控制中二个基本生物工程控制中二个基本问题问题 优化与放大优化与放大提高产品的市场竞争能力，降低成本，提高产品的市场

35、竞争能力，降低成本，提高质量：提高质量：过程优化与小试放大过程优化与小试放大 控制不同的操作条件时，有完控制不同的操作条件时，有完全不同的产量和质量结果全不同的产量和质量结果 优化优化 从小罐放大到生产罐，有很大差异，从小罐放大到生产罐，有很大差异，可能要失败可能要失败 放大放大 背景 菌种选育菌种选育 基因工程菌的构建基因工程菌的构建 忽视了生物反应器中忽视了生物反应器中工程问题工程问题所必须所必须加以考虑的工艺变化和过程优化。加以考虑的工艺变化和过程优化。 采用人工经验为主的静态操作采用人工经验为主的静态操作背景过程优化过程优化发酵过程计算机控制发酵过程计算机控制 传感器：传感器：DODO

36、、pHpH、排气成份分析系统、排气成份分析系统 计算机控制系统：计算机控制系统：单片智能、工控机、单片智能、工控机、pLC pLC 、 DCS DCS 执行器件：执行器件：杯式补料系统杯式补料系统参数自动控制回路参数自动控制回路温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制pHpH调节调节（手控或自控）；（手控或自控）；DODO与转速、通气流量程序串级调节与转速、通气流量程序串级调节 效果不明显效果不明显 背景数学模型数学模型l静态和动态优化静态和动态优化l系统识别系统识别l自适应控制自适应控制l专家系统、模糊控制、神经元网络专家系统、模糊控制、神经元

37、网络l各种混沌现象的研究各种混沌现象的研究 实际工厂生产实际工厂生产 效果不明显效果不明显背景过程放大过程放大因次分析法因次分析法经验法则法经验法则法数学模拟法数学模拟法时间常数法时间常数法几何相似几何相似流体运动学相似流体运动学相似流体动力学相似流体动力学相似同时满足这些相似条件是不可能的同时满足这些相似条件是不可能的背景经典的发酵工程生物学与工程经典的发酵工程生物学与工程学基础学基础动力学与反应器工程动力学与反应器工程本征动力学本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。 形成了经典的以动力学为基础的工程学概念形成了经典的以动力学为基础的工程学概念生物反应工程：生物反应工程：它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应动力学和生物反应器工程。其中动力学和生物反应器工程。其中反应器工程反应器工