多尺度放大技术在发酵技术放大中的应用以及发展前景

多

广放大技术在发酵技术

放大中的应用以及发展前景Applicationanddevelopmentprospectsofmultiscaleamplificationtechnology

infermentationtechnologyamplification汇报：111

时间：2025.X目录C

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N

TN

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N

T

S0102

030405发酵放大过程中核

心差异与失控原因多尺度放大技术的

发展前景多尺度放大技术的

应用策略产业化装置设计的

关键考量实施建议发酵放大过程中

核心差异与失控原因Core

differences

and

out-of-control

reasons

inthe

process

offermentation

process

scale-up发酵工艺放大：是将实验室规模(摇瓶、小型发酵罐，通常1-50L)

的发酵工艺，逐步过渡

到中试规模(50-5000L),

最终实现工业生

产规模(5000-100000L

以上)的过程。其核

心目标是在放大后保持甚至提升实验室水平的

产物产量、质量和生产效率，同时适应大规模

生产的设备限制、成本控制和安全要求。发酵工艺放大过程中的核心差异与失控原因什么是发酵工艺放大混合与传质效率差异：·

小试(摇瓶/小型发酵罐):混合均匀

0₂/CO₂传递快，营养分布均一。·产业化(大型发酵罐):存在梯度(DO、pH、底物浓度),搅拌功率受限，传质效率下降，易形成局部厌氧区。·

导致菌体代谢途径改变，副产物积累。传热能力限制：·

大罐比表面积(表面积/体积)显著减

小

，散热效率降低。·局部过热影响酶活性和细胞生长。剪切力与流变学变化：·

大罐高搅拌转速产生强剪切力，损

伤菌丝体(如真菌)或细胞膜。·

高菌浓发酵液黏度增大(如放线菌)形成非牛顿流体，混合难度剧增。过程参数监测滞后：·

大罐传感器响应延迟，pH、DO

等

调控存在时间差。·取样代表性不足(如罐内存在梯度)、发酵工艺放大过程中的核心差异与失控原因2PART

TWO多尺度放大技术的应用策略Applicationstrategyofmulti-scaleamplification

technology生物过程的放大是发酵工程中的重要研

究内容，研究不同规模生物反应器中的

培养过程特性。与生物工程学科中其他

一些新兴研究领域，如各种组学(包括

基因组、转录组、蛋白质组、代射物组

等)以及代谢工程相比，发酵工程的研

究是比较成熟的。同时，在生物反应器

的特性认识以及设计中，如果能结合细胞的生理特性进行研究，将会使发酵过

程及其放大取得更好的结果。生物过程的放大多尺度放大技术的应用策略生物过程放大技术研究进展随着生化工程学科的发展，研究人员对不同培养方式下的放大问题进行了研究；如搅拌釜式气气升式、固体发酵、固定化细胞发酵等，同时对各种细胞培养的

放大问题进行了研究。包括抗生素生产、面包酵母、基因工程菌、动物细胞、植物细胞等。供氧能力相似准则的放大对于好氧发酵来说，氧的供应至关重要，它直接影响到细胞的初级代谢、次级

代谢和能量代射。如果要实现较好的过程放大，氧气低速率必须知道体积氧传

递系数(Kia)

相似的放大准则。生物反应器中的气一液传递与流体动力学状

况有很大的关系，这些状况受到反应器的结构。能量耗散、培养液的物理化学

特性以及培养细胞等因素影响。菌体代谢从酵母、苏云金杆菌放大来看，摄氧率与菌体产生量有直接关系，摄氧率越大，

菌体产量也越大，通过改变罐内工艺条件，使罐内发酵的OURmax与摇瓶发酵OURmax

相一致，放大取得了满意的结果。

多尺度放大技术的应用策略放大

策略123培

养条

件在生物反应器中的细胞是具有生命的活体，其代谢活力受到生长环境的影响。因此，在放大过程中，除了从工程角度考虑发酵罐的放大，也有人结合培养条件的优化进行放大研究，例如培养基成分、pH值等。数学模型模拟与预测由于不同规模生物反应器的尺寸和流场特性不同.可以利用状态分析

(regime

analysis)技术，例如计算流体力学(computationalfluid

dynamics.CFD),来系统地研究放大过程中不同尺寸，操作

条件下的流场特性。例如Pollard等在黏性真菌发酵的放大中，将状态分析技术和操作边界条件相结合。在生物过程中，许多参数和系数与体系的混合、传质。氧和热的传递

有关。部分被人们用来作为放大准则的参数和系数。

多尺度放大技术的应用策略放大

策略453PART

THREE产业化装置设计的关键考量Key

considerations

for

the

design

ofindustrial

plants表1部分报道的细胞培养的规模④①细胞系规模/LB

HK细胞(幼仓鼠肾细胞》500Vero

cells(非洲绿猴肾异倍体细胞)1000鼠杂交瘤细胞2000黑色素瘤细胞7000Namalwa

cells8000CHO细胞(中国仓鼠卵巢细胞)10000BHK-2110000Tobacco

cells(烟草细胞〉20000Taxus

sp.

(紫杉)75000Yeast(酵母)100000Penicillium(青霉属)100000部分报道的细胞培养的规模如表1所示：·不同培养方式下的放大问题：包括：搅拌釜式气气升式、固体发酵、固定化细胞发酵等。·

各种细胞培养的放大问题：包括：抗生素生产、面包酵母、基因工程菌、动物细胞、植物细胞等。

产业化装置设计的关键考量部分报道的细胞培养的规模表2放大参数的相互依赖性按比例放大准则8

0

L

发

酵

罐10000L发酵罐恒定P₀/V恒定N恒定ND恒定Re功率(P。)11253125250.2单位体积功率(P₄/V)11250.20.0016叶轮转数[NI10.3410.20.04叶轮直径(D)15555Pump

rate

ofimpelle

(Q)142.5125255循环时间(亿)12.941525叶轮外缘最大速度(ND111.7510.2雷诺数(ND

pu)18.52551注

5

4

.

为

准

合

时

闭

。表2:显示了不同放大准则下从80L放大到10000L时各参数的变化情况。从表2可以看出，要同时满足这些相似条件是不可能的，

例如保持单位体积功率不变，则循环时间增加到2.94倍；而要在放大过程中保证循环时间相同，则单位体积功率要增加到25倍，

这种对功率的放大要求对于大型发酵罐来说是很难做到的，因此大型发酵罐的混合时间往往要更长。

产业化装置设计的关键考量放大参数的相互依赖性Garcia-Ochoa

等⑪对好氧生物过程的放大以及氧传递进行了很好的综述认为生物反应器中的气-液传递与流体动力学状况有很大的关系，这些状况受到反应器的结构、能量耗散、培养液的物理化学特性以及培养细胞等因素影响。OTRK,aC脾面面积1Holdup

胞径传质系数K退合时闹旅度接度AC增强因子五能量耗胶C柳理性旗r.

a九何参载

L.D操作条件(M

V)生热量OUR造体力单

产业化装置设计的关键考量生物反应器内OTR、

体积氧传递系数以及流体动力学参数的关系-图

1

生

物

反

应

器

内OTR.

体积氧传递系敛以及流体动力学参数的关系这种外界环境对细胞生理特性的影响主要表现为以下几种形式

：日外界环境(如温度PH

值)对菌体胞内酶的作用或代谢速

率所产生的影响；三由于反应器混合传递所引起的基质(如氧、各种碳源)供

应不足或过量，由此产生的胞内代谢的变化；×细胞的信号传导系统对外界环境条件的响应，引起细胞

转录表达系统的变化，进而引起细胞代谢网络的变化。同

时，这种影响是相互的，例如菌体消耗基质或生产产物对

环境的影响。这种环境因素(或者称“环境组”,envirome)与菌体代谢的相互影响如图2所示。图

2

细胞环境和细胞代谢的相互影响基因组转录组蛋白质组代谢组环境组

产业化装置设计的关键考量细胞环境和细胞代谢的相互影响电泳光谱色谱在线：原位测量ElectrictongueArificial

noss芯片实验室技术化学计量学模型

神经网络分析影响生理参数

物建参数过程描述模型开发工艺流程优化综合流体力学提模擦小计算流体力学按比例放大参数的验证按比例放大在发酵培养的放大过程中，流场特性会发生变化，而这种变化又会影响到菌体生理代谢情况，因此在生物过程的放大研究中，应该将流场特性变化(例如：某种物质的浓度场)

与由此引起的菌体生理特性变化结合起来考虑到流场变化对菌体代谢的影响，并可以利用规模缩小(scale

down)的方法对这些影响因素进行研究，图3所示为生物过程优化

与放大方案。

产业化装置设计的关键考量过程优化与放大方案图

3

过程优化与放大方案PARTFOUR多尺度放大技术的发展前景The

development

prospects

of

multi-

scaleamplificationtechnology整合CFD、代谢组学数据、

历史批次信息，构建预测

性放大算法。实时数据+机理模型，实

现虚拟生产与实体设备的

闭环优化。微反应器阵列快速筛选最佳工艺参数缩短放大周期。3

生物过程数字孪生体1

高通量微流控技术

2

AI驱动的放大模型多

尺

度

放

大

技术

的

发展

前

景早期介入：菌种选育阶段即考虑放大

适应性(如剪切耐受性)。跨学科协作：生物学家+化学工程师

+数据科学家联合攻关。动态放行标准：放大过程中接受关

键参数(如产物得率)的合理波动范

围

，持续验证：生产阶段定期进行缩小模

型回溯实验，验证工艺鲁棒性。

实现建议1423发酵多尺度技术的实施需以跨尺度协同优化为核心，通过模型