CN101671712A - 阿维菌素发酵过程优化与放大的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阿维菌素发酵过程优化与放大的方法与装置。所述方法包括步骤：(a)采用流体力学计算(CFD)方法，模拟测定在所述发酵过程中所用的生物反应器装置中的流场；(b)确定所述流场对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合；(c)参照预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合，校验或修正生物反应器装置的流场，从而确定优化的生物反应器装置。

Description

阿维菌素发酵过程优化与放大的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种发酵过程优化与放大的方法及其装置，尤其是涉及一种制备阿维菌素发酵过程优化与放大的方法与装置。

背景技术

生物搅拌反应器因为其操作简单、不容易染菌等优点被广泛应用于微生物发酵中。有些微生物对反应器内的剪切力大小、空气体积分率及混合状况等因素非常敏感，而这些因素都与搅拌有关。人们希望明确这些因素与搅拌反应器的结构参数及搅拌反应器操作参数(转速、通气速率等)的关系，从工程的角度对这些因素进行经验关联，并以此来指导微生物发酵的放大培养。然而，搅拌桨叶的相对运动使得搅拌反应器内部的这些因素极度不均匀，以往采用经验关联式将整个搅拌反应器看成一个均匀体系的假设与实际情况存在着很大的差异，并不能对微生物发酵进行很好的指导。

而搅拌因素与生物发酵培养过程具有较大的关系。生物发酵培养过程中，气、液、固三相态之间存在着宏观与微观的混合、传递。生物细胞与环境之间除存在着热量、质量、动量传递还涉及生物体对剪切力的敏感度问题。生物反应器搅拌结构特征及其操作方式决定了生物反应器中流场包括剪切力大小和分布等特性。这些特性从基质供给、代谢副产物脱除、环境压力改变等方面对生物体代谢产生重要的影响。

很多重要的生物反应过程(如抗生素发酵等)的发酵液属于丝状或菌球状的非牛顿物系。这种非牛顿型物系和发酵过程受搅拌形式的影响很大。生物反应器中流体的剪切应力变化对丝状菌丝体生长有较大的影响。剪切大，菌丝易受损，对菌体生长和发酵不利，剪切小，菌丝不易受外力而断裂，可较好生长，对发酵有利。传统的径向流圆盘涡轮桨搅拌时，形成径向流形，所形成的剪切作用变化在全罐中是相当大的，且搅拌能耗大。当高速液流通过静止的或运动速度较低的液体时，叶片对流体的直接剪切作用也会造成处于界面上的流体受到强烈的剪切作用，同时造成全罐混合区域化现象的存在。尤其在大型的发酵罐中，区域化现象尤为严重，进而造成混合与传氧效率的降低，对丝状菌发酵不利。

在大规模发酵培养时，菌丝体尤其易受搅拌器的剪切力的作用。而菌丝生长的形式亦会影响菌丝团内部的理化环境、尤其是菌团内部的营养物质传递和分布的均匀性，从而影响表观的基质临界浓度，如临界氧，最终影响微生物代谢与目的产物的合成。

总之，发酵过程中，菌体形态(特别是丝状微生物的菌体形态)是一个很重要的参数，它会影响到发酵液的流变特性，从而影响到培养体系的传质和传热，最终间接影响产率。另一方面菌体形态分化也与丝状微生物生理状态密切相关。因此在工业发酵过程中，对其菌体形态的控制对于某些次级代谢产物生产来说是必需的。一般来说，其菌体形态可以分为两种形式：丝状(filamentous form)和小球型(pellet)：丝状的形态可以分为松散的菌丝体(mycelial)和菌丝聚集体(clump)；小球型可以分为表面光滑型和表面粗糙型。菌球一旦形成后会呈现出不同形态，依形态可分为疏松球状、中心紧密外围疏松的球状和紧密光滑球状。而菌体形态很容易受到剪切力的影响而发生变化。

目前，很多文献表明剪切力对丝状微生物的影响很大。在剪切环境对产黄霉菌发酵生产青霉素影响的研究中，发现产黄青霉结球程度和游离菌丝形态均与剪切环境有关。适当提高剪切水平可缩短菌丝长度并保证适度结球，从而降低发酵液黏度，对改善罐内混合和供氧有利。但是剪切对丝状微生物的影响也因微生物种类及其菌株不同而异。

阿维菌素(Avermectin，AVM)，是一组由除虫链霉菌Strepomyces avermitilis产生的十六元大环内酯衍生物，其结构中包含一个由二糖(齐墩果糖)与十六元内酯环缩合生成的苷，以及两个六元环的螺缩酮系和六氢苯并呋喃环系。根据C₅和C₂₅上取代基的不同及C_22-C23结构上的差别，阿维菌素有8个异构体，分别为A_1a，A_1b，A_2a，A_2b，B_1a，B_1b，B_2a，B_2b，其中以B_1a的杀虫活性最高，其它异构体杀虫活性较低且毒性较高。阿维菌素对家畜的肠内寄生虫具有极其有效的驱虫活性，并具有作用机制独特、有效剂量低、安全性高等特点。阿维菌素也是高效的杀虫、杀螨剂，其衍生物也可用于治疗人类由于螨虫或线虫引起的疾病。

阿维菌素产生菌为一种放线菌(S.avermitilis)，发酵过程中主要菌丝形态为菌丝球。阿维菌素发酵过程涉及到菌丝球形态的控制，在发酵过程中菌丝球形态出现异常一般意味着发酵控制出现了重大偏差，这种偏差往往影响到阿维菌素的产量。在阿维菌素发酵过程中可能会出现两种极端情况，一种是菌丝结球过紧，另一种是菌丝过于分散，交叉结网造成发酵液发糊。这两种状况都是不可逆的，而且一旦出现，就将极大地影响阿菌素的生物合成。

阿维菌素产生菌除虫链霉菌属于对剪切非常敏感的微生物。如果在摇瓶中添加玻璃珠增加剪切力，最后的发酵单位远远低于对照组。因此在除虫链霉菌的培养过程中，剪切力是一个重要的影响参数。

近年来，计算流体力学(CFD)在单相流体的研究方面已经取得了很大的进步，而关于CFD在生物反应器方面应用的研究报道较少。

综上所述，本领域缺乏将发酵过程(例如阿维菌素)与反应器流场特性相结合的优化方法，尤其是缺乏工业规模发酵时的生物反应器与代谢特性相结合的方法。

因此，本领域迫切需要开发发酵过程与反应器流场特性相结合的优化方法，特别是工业规模阿维菌素发酵用的生物反应器与细胞代谢特性相结合的优化与放大方法。

发明内容

本发明的第一目的在于获得一种工业规模发酵用的生物反应器与细胞代谢特性相结合的优化与放大方法。

本发明的第二目的在于获得一种适用于工业规模发酵用的生物反应器与细胞代谢特性相结合的优化与放大的装置。

在本发明的第一方面，提供了一种对使用生物反应器装置的发酵过程进行优化的方法，所述方法包括步骤：

(a)采用流体力学计算(CFD)方法，模拟测定在所述发酵过程中所用的生物反应器装置中的流场；

(b)确定所述流场对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合；

(c)参照预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合，校验或修正生物反应器装置的流场，从而确定优化的生物反应器装置。

在一优选例中，步骤(c)中所述校验或修正步骤包括改变所述生物反应器装置涉及流场的参数，从而校验或修正其传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合而接近预定值。

更优选地，所述涉及流场的参数为涉及湍流剪切场分布的参数、涉及速度矢量场分布的参数或其组合。具体地例如为涉及搅拌的参数，更具体地涉及搅拌浆的参数。

最优选地，所述校验或修正步骤为：改变桨叶的形状或组合，使得传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合相应改变而接近预定值。

在本发明的一个具体实施方式中，所述生物反应器装置选自丝状微生物发酵装置；优选地，选自制备阿维菌素的丝状微生物发酵装置。

在本发明的一个具体实施方式中，步骤(a)采用流体力学计算(CFD)方法的模拟测定过程中，

采用奈维-斯托克斯方程(NS方程)进行模拟测定，且所述湍流模型为

$\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{rU\φ}\right)}{r\∂r}+\frac{\∂\left(\mathrm{V\φ}\right)}{r\∂\mathrm{\θ}}+\frac{\∂\left(\mathrm{W\φ}\right)}{\∂z}=S_{\mathrm{\φ}}+\frac{\∂}{r\∂r}\left(\frac{\mathrm{r\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}\right)+\frac{\∂}{r\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{r\∂\mathrm{\θ}}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{\mathrm{\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}\right)---\left(I\right);$

其中，所述φ、t、r、U、V、θ、W、z、S_φ、Γ分别代表：

φ为通用求解变量，t为时间(s)，r，θ，z分别为柱坐标系下的三个坐标，U、V、W为速度矢量在笛卡尔坐标系下的三个分量，S_φ是相对于变量φ的源项，Γ为相对于变量φ的有效湍流交换系数。

和/或

采用的流体力学计算方法为多参考坐标内外迭代滑移网格法，其计算公式根据下式(II)

τ＝μ·γ        (II)

其中τ为剪切力，单位：Pa，

μ为黏度，单位：Pa·s，

γ为剪切应变率，单位：s^-1，可通过下式(III)计算得到：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{2\{{\left(\frac{\∂u}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂w}{\∂x}\right)}^2\}+{(\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂u}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂v}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂z})}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，x、y、z分别为直角坐标系中三个方向的坐标，u、v、w则分别为三个方向上的速度分量。

在本发明的一个具体实施方式中，在步骤(b)确定所述传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述传气参数选自气含率、氧传质系数K_La或其组合；

其中，

所述气含率的含义是通气情况下单位体积的反应液中所含空气的体积百分比；

所述氧传质系数K_La为K_L和a的值的求积，

所述K_L通过如下式(IV)计算得到；

$k_L=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{D_L}{\left(\frac{\mathrm{\ϵ\ρ}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{1/4}---\left(\mathrm{IV}\right)$

其中D_L为氧气在水中的扩散系数，

ε为湍动能扩散速率，单位为W/kg，

ρ为水的密度，单位kg/m³；

μ为水的黏度，单位：Pa·s，

所述a通过下式(V)计算得到：

$a=\frac{6\mathrm{\φ}}{d_b}---\left(V\right)$

其中φ为局部气含率，无量纲，

d_b为平均气泡直径，单位：m。

在本发明的一个具体实施方式中，在步骤(b)确定所述传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述能耗参数选自搅拌轴的轴功率，

所述搅拌轴的轴功率通过如下式(VI)计算得到：

轴功率＝∑(桨叶受到的扭矩×搅拌转速)    (VI)。

在本发明的一个具体实施方式中，在步骤(b)确定所述传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述生理代谢参数选自菌丝形态学参数、碳氮代谢参数或其组合；

优选地，所述菌丝形态学参数包括：球核面积、核区周长、菌丝球面积、掩图面积、圆形因子、菌丝球密度、边缘菌丝密度或其组合；

优选地，所述碳氮代谢参数包括：总糖、还原糖、氨氮消耗、pH、发酵液中菌体离心体积百分比(PMV)、效价或其组合。

在本发明的一个具体实施方式中，所述的步骤(c)确定优化的生物反应器装置时，

包括以下步骤(i)或步骤(ii)中的一种或多种：

(i)将测定的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合与预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合进行比较，选出与所述预定值最为接近的生物反应器装置；确定优化的生物反应器装置；

或者

(ii)对多个生物反应器装置的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合进行比较，确定优化的生物反应器装置；

(iii)将测定的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合与预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合进行比较，用于校验或修正有关装置设计，从而确定优化的生物反应器装置和相应的工艺。

在一优选例中，步骤(ii)中所述的多个生物反应器装置是配备不同搅拌桨的同一类型的生物反应器装置。

在另一优选例中，所述的生物反应器装置是容量为大于100立方米(如100-250立方米)的发酵罐。

在另一优选例中，所述的预定值是小罐(如5、10、20、30、50、100升)发酵条件下的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合。

本发明的另一方面提供一种可进行过程优化和数据放大的自控生物反应器装置，所述自控生物反应器装置包括带有搅拌器的生物反应器罐体，以及对所述生物反应器的工艺控制参数进行检测及控制的仪器仪表，其特征在于，所述罐体上设置：

-用于获得工艺控制参数的传感装置单元，所述传感装置单元包括设置在所述罐体上的溶解氧传感器、活细胞量传感器；

-与所述传感装置单元连接的生理代谢参数计算装置，所述生理代谢参数计算装置将所述传感装置单元获得的工艺控制参数转化为作为数据放大基础的生理代谢参数。

在一优选例中，所述生理代谢参数计算装置用于与CFD流体计算力学仿真的装置进行比较，由此得到优化的生物反应器装专备设计与工艺。所述CFD流体计算力学仿真的装置用于得到生理参数预定值，所述的预定值是小罐(如5、10、20、30、50、100升)发酵条件下的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合。

在本发明的一个具体实施方式中，所述的传感单元还包括温度传感器，pH传感器，全罐秤量传感器，尾气CO₂接口，尾气O₂接口，测速传感器，压力传感器，消泡传感器或其组合。

在本发明的一个具体实施方式中，所述罐体的体积容量在50L～500M³之间。

在一优选例中，所述罐体的体积容量在100M³～250M³之间。

附图说明

图1为搅拌对供氧与剪切的影响的发酵生理代谢参数趋势曲线；

(横轴为时间，单位为小时)

图2为有机酸标准品的色谱图(Fig.2 HPLC chromatogram of standard sampleof organic acids)；

图3为桨叶组合图(Fig.3 Figure of the three impeller combination.Left，Im01；middle，Im02；right，Im03.)

图4示出了不同桨叶组合平均剪切力比较(Fig.4 Comparison of averageshear force among different impeller combination)

图5示出不同桨叶组合中各层桨叶的剪切力(Fig.5 Comparison of shearforce power for each impeller)

图6示出不同桨叶组合的轴切面湍动剪切力分布图(Fig.6 Turbulent shearforce distribution of different impeller combination)

图7示出不同桨叶组合的速度矢量场(Fig.7 velocity vector field ofdifferent impeller combination)

图8示出不同桨叶组合下气含率比较(Fig.8 Comparison of air hold-up amongdifferent impeller combination)

图9示出了不同桨叶组合下平均K_La以及各层桨叶的K_La比较(Fig.9 Comparisonof average K_La and K_La for each impeller among different impeller combination)

图10示出不同桨叶组合平均消耗功率的比较(Fig.10：Comparison of averageconsumed power among different impeller combination)

图11示出不同桨叶组合中各层桨叶的消耗功率(Fig.11 Comparison of powerconsumed for each impeller)

图12示出不同桨叶组合下除虫链霉菌球核面积，核区周长，菌丝球面积，圆形因子，菌丝球密度，边缘菌丝密度的变化趋势(Fig.12 Profiles of core area，core perimeter，mycelial area，circularity，compactness and roughness inStreptomyces avermitilis fermentation process with different impellercombination)

其中标号说明如下：

Im01(■)；Im02(●)；Im03(▲)

图13示出不同桨叶组合下除虫链霉菌发酵过程中总糖，还原糖，氨氮消耗，pH，PMV以及效价的变化趋势(Fig13 Profiles of total sugar，reducing sugar，NH2N，pH，PMV and avermectin during Streptomyces avermitilis fermentation processwith different impeller combination：)

其中标号说明如下：

Im01(■)；Im02(●)；Im03(▲)

图14为实施例2的自控生物反应器装置的示意图。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，以阿维菌素等丝状微生物发酵为对象，针对易受搅拌器的剪切力作用影响的生理特点，通过改进制备工艺，获得了在以代谢流分析与控制为核心的发酵过程参数调整的研究方法基础上，获得了一种能够将实验室规模的优化条件放大到工业规模的方法。在此基础上完成了本发明。该放大装置特别适用于丝状微生物发酵装置。

在本发明的一个具体实施方式中，借助于能实现发酵过程宏观代谢特征参数检测的生物反应器及其相关计算机软、硬件技术，对阿维菌素发酵过程的代谢特性进行了研究，了解了其反应器流场剪切氧特性与菌体耗氧等生理特性的关系。另一方面通过利用CFD计算流体力学方法，对反应器中的流场特性进行了研究，对照小试研究(获得预定值)和工业规模发酵罐的宏观代谢特征参数，发现了工业规模发酵罐中的混合与传递缺陷，并采取相应措施实现了发酵过程的放大。

以下对本文的术语进行说明：

如本文所用，术语“发酵过程”包括微生物的发酵过程、动植物细胞反应过程或其组合。

以下对本文的构思进行说明：

本发明是基于如下原理而提出的：以工业生产为目的的生物系统的功能取决于外界环境刺激与胞内功能基因的共同作用。这种外界环境对细胞功能的影响主要通过以下几种途径，其一，外界条件(如温度、pH)对菌体细胞内酶的作用或代谢速率直接产生影响；其二，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；其三，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，由此进而引起细胞代谢网络的变化。这就要求我们要在综合考虑胞外环境及菌体生理特性的基础上进行工业生物过程的优化与放大，而实际工业生产中多为液态培养，因而菌体的外部环境的研究即归结为生物反应器内流体力学研究，由此得到不同条件下的温度场、浓度场、剪切力场等；细胞的行为则通过菌体生理特性来表达。通过将两者整合起来研究其相互作用规律从而为生物反应器的优化与放大开辟一条崭新的科学思路。

根据上述原理，本发明设计了以下进行流程放大和优化的具体路线：在发酵过程放大研究时，提出了首先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或生理参数，只要我们在放大的设备上得到完全(或基本)相同的反映代谢流等生理数据变化曲线，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。

以下对本发明的各个方面进行详述：

(一)进行过程优化和数据放大的方法

本发明涉及一种对使用生物反应器装置的发酵过程进行优化的方法，所述方法包括步骤：

(a)采用流体力学计算(CFD)方法，模拟测定在所述发酵过程中所用的生物反应器装置中的流场；

(b)确定所述流场对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合；

(c)参照预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合，校验或修正生物反应器装置的流场，从而确定优化的生物反应器装置。

具体地，步骤(c)中，参照预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合，用于校验或修正有关装置设计，使得装置的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合接近预定值，从而确定优化的生物反应器装置和相应的工艺。

在一优选例中，步骤(c)中所述“校验或修正”包括校验或修正所述生物反应器装置涉及流场的参数，使得传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合相应改变而接近预定值。例如校验或修正涉及搅拌的参数，特别是涉及搅拌浆的参数。

在现有技术中，将整个搅拌反应器看成一个均匀体系，并采用经验关联式对微生物发酵等的放大培养进行指导。而本发明的方法基于这样一个假设：搅拌桨叶的相对运动等流场变化使得搅拌反应器内部的各种因素极度不均匀，因此，通过控制流场参数可以获得更为理想的放大结果。

而发明人通过实践验证发现，通过经验关联式进行放大培养的情况并不理想，而通过本发明的方法可以建立流场(反映了生物反应器的结构参数及其搅拌反应器操作参数)与优化条件(例如测定的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合)从而能够从工程的角度对这些因素进行经验关联，并以此来指导微生物发酵的放大培养。

在一优选例中，所述方法包括：

在可进行过程优化和数据放大的自控生物反应器装置上获得以菌体细胞代谢流分析为核心的生理参数和相关的操作参数，从中分析得到用于过程放大的敏感参数；

采用CFD流体计算力学方法模拟测定多个所述生物反应器装置的流场，得到分别对应于各个流场的湍流剪切场分布图、速度矢量场分布图或其组合；

确定所述各个流场的所述湍流剪切场分布图及其速度矢量场分布图所分别对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合；

比较所述传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合的优劣，确定并得到过程优化的生物反应器装置。

在一优选例中，所述方法包括：

采用CFD流体计算力学方法模拟测定所述生物反应器装置的流场，得到湍流剪切场分布图、速度矢量场分布图或其组合；

确定所述湍流剪切场分布图及其速度矢量场分布图所对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合；

调节所述生物反应器装置的流场，比较调节前后的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合的变化，从而确定过程优化和数据放大的生物反应器装置。

前者侧重在同一时间内对不同流场的表现进行比较；而后者侧重对同一流场在不同时间的表现进行比较。显然，上述两种方法可以单独使用，也可以结合使用。二者都是根据通过CFD流体计算力学装置对所述生物反应器装置的流场进行模拟，得到湍流剪切场分布图、速度矢量场分布图或其组合，并根据所述湍流剪切场分布图、速度矢量场分布图或其组合确定优化条件的组合使得流程得到优化。

可以采用CFD流体计算力学方法对所述生物反应器装置的流场进行模拟。在一优选例中，采用的流体计算力学方法为多参考坐标系方法，具体地例如：模拟旋转的搅拌桨与静止的挡板间的相互作用，并通过网格划分将连续的流场域分散成离散域，并通过有限体积法在离散域上对NS方程进行离散，进而通过各种数值求解方法对描述反应器内流场的方程进行求解，得到反应器内的包括速度场，湍流场，剪切场等的定量结果。

具体地，采用CFD流体计算力学装置对所述生物反应器装置的流场进行模拟时，

采用NS方程及湍流模型为

$\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{rU\φ}\right)}{r\∂r}+\frac{\∂\left(\mathrm{V\φ}\right)}{r\∂\mathrm{\θ}}+\frac{\∂\left(\mathrm{W\φ}\right)}{\∂z}=S_{\mathrm{\φ}}+\frac{\∂}{r\∂r}\left(\frac{\mathrm{r\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}\right)+\frac{\∂}{r\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{r\∂\mathrm{\θ}}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{\mathrm{\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}\right)---\left(I\right)$

计算方法为多参考坐标系法(优选多参考坐标内外迭滑移网格法)，(例如应用通用商业软件ANSYS CFX计算获得)。

其中有关剪切应变率采用其计算公式根据下式(II)

τ＝μ·γ        (II)

其中τ为剪切力，单位：Pa)，

μ为黏度(单位：Pa·s)，

γ为剪切应变率(单位：s^-1)可通过下式(II)计算得到：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{2\{{\left(\frac{\∂u}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂w}{\∂x}\right)}^2\}+{(\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂u}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂v}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂z})}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

上式中，x、y、z分别为直角坐标系中三个方向的坐标，u、v、w则分别为三个方向上的速度分量。

具体地，确定所述湍流剪切场分布图及其速度矢量场分布图所对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述传气参数选自气含率、氧传质系数K_La或其组合；

其中，

所述气含率的含义是通气情况下单位体积的反应液中所含空气的体积百分比；

所述氧传质系数K_La为K_L和a的值的求积，

所述K_L通过如下式(III)计算得到；所述a通过下式(IV)计算得到：

$k_L=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{D_L}{\left(\frac{\mathrm{\ϵ\ρ}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{1/4}---\left(\mathrm{IV}\right)$

其中D_L为氧气在水中的扩散系数，

μ为水的黏度，单位：Pa·s，

ε为湍动能扩散速率，单位为W/kg，

ρ为水的密度，单位kg/m³；

$a=\frac{6\mathrm{\φ}}{d_b}---\left(V\right)$

其中φ为局部气含率，无量纲，

d_b为平均气泡直径，单位：m。

具体地，确定所述湍流剪切场分布图及其速度矢量场分布图所对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述能耗参数选自搅拌轴的轴功率，

所述搅拌轴的轴功率通过如下式(V)计算得到：

轴功率＝∑(桨叶受到的扭矩×搅拌转速)    (VI)

具体地，确定所述湍流剪切场分布图及其速度矢量场分布图所对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述生理代谢参数选自菌丝形态学参数、碳氮代谢参数或其组合；

所述菌丝形态参数包括：球核面积、核区周长、菌丝球面积、掩图面积、圆形因子、菌丝球密度、边缘菌丝密度或其组合；

所述碳氮代谢参数包括：总糖、还原糖、氨氮消耗、pH、PMV、效价或其组合。

如本发明所述，所述“生物反应器”包括但不限于：发酵罐、动物细胞反应器、或植物细胞反应器。优选地，所述生物反应器装置选自丝状微生物发酵装置；更优选地，选自制备阿维菌素的丝状微生物发酵装置。

本发明的方法可以适用于各种体积的装置，只要该装置中涉及到流场的变化。由于体积较大的装置中受到流场的影响更为显著，因此本发明特别适合体积较大的装置。例如，所述生物反应器装置的容积为50L～500m³，而且适合100～500m³的生物反应器装置，例如100～250m³生物反应器装置。

更具体地，调节所述第二生物反应器装置的流场时，采用改变搅拌桨形式、改变搅拌桨直径的方法或其组合。

更具体地，在上述采用CFD流体计算力学方法对所述第二生物反应器装置的流场进行模拟时，采用湍流模型为标准k-ε模型，模拟方法采用多参考坐标系，并结合Euler-Euler两相流模拟气液两相的相互作用，通过二阶迎风格式对NS方程进行求解从而得到反应器内的三维流场分布。

根据本领域常规技术，所述模拟测定方法中，还可以在模拟之前，建立第二生物反应器装置的流场的结构模型；对结构模型进行网格划分和设定计算区域的边界条件。

(二)可进行过程优化和数据放大的自控生物反应器装置

本发明还提供一种可进行过程优化和数据放大的自控生物反应器装置，所述自控生物反应器装置包括带有搅拌器(104)的生物反应器罐体(100)，以及对所述生物反应器的工艺控制参数进行检测及控制的仪器仪表，所述罐体(100)上设置：

-传感装置单元(101)，所述传感装置单元(101)包括设置在所述罐体(100)上的溶解氧传感器(3)、活细胞量传感器(10)；

-与所述传感装置单元(101)连接的生理代谢特征参数计算装置(20)，所述生理代谢特征参数计算装置(20)将所述传感装置单元(101)获得的工艺控制参数转化为作为数据放大基础的生理代谢特征参数。

具体地，所述装置还可以包括CFD流体计算力学模拟后所设计的虚拟或实体装置。

具体地，所述的传感单元(101)还包括温度传感器(1)，pH传感器(2)，全罐秤量传感器(4)，尾气CO₂接口(5)，尾气O₂接口(6)，测速传感器(7)，压力传感器(8)，消泡传感器(9)，通气流量传感器(26)，活细胞量传感器(10)或其组合。

具体地，所述罐体(100)的体积容量在20升～500m³之间。

具体地，所述的传感单元(101)还包括温度传感器(1)，pH传感器(2)，全罐秤量传感器(4)，尾气CO₂接口(5)，尾气O₂接口(6)，测速传感器(7)，压力传感器(8)，消泡传感器(9)或其组合。

更具体地，所述仪器仪表测定的工艺控制参数是指温度，搅拌转速，通气流量，罐压，消泡，pH，溶解氧浓度，发酵液真实体积及重量，补料量包括基质、前体、油、酸碱物，尾气CO₂和O₂。

具体地，所述活细胞量传感器(10)采用四电极系统。所述四电极系统主要根据放在交变电场中的活细胞，由于细胞内的原生质体起着电解质作用，在交变电场的极化作用所形成的电容与生物量呈对应关系。改变交变电场的频率就会产生不同的极化效果，由此确定最佳的测量条件，测量的电容值通过统一信号传输到计算机数据处理，作为多参数相关分析的生物量的依据。

本发明的所述传感单元中的各种传感器可以采用本领域传统的各种传感器，只要其不对本发明的发明目的产生限制即可。

本发明的所述仪器仪表的安装位置可以按照本领域的传统工艺进行，只要不对本发明的发明目的产生限制即可。

在本发明的装置的一个具体实施方式中，采用以下技术方案：

一种用于过程优化与数据放大的自控发酵装置，该装置由带电机和搅拌器的发酵罐体、具有多参数检测及控制的仪器仪表和传感装置的传感系统、带安装支架和工艺管道系统以及带有工控机及执行元器件的电气控制柜组成，其特征在于其中所述的传感系统包括温度传感器(1)，pH传感器(2)，溶解氧传感器(3)，全罐秤量传感器(4)，尾气CO₂接口(5)，尾气O₂接口(6)，测速传感器(7)，压力传感器(8)，消泡传感器(9)，活细胞量传感器(10)；所述的参数是指温度，搅拌转速，通气流量，罐压，消泡，pH，溶解氧浓度，发酵液真实体积及重量，补料量包括基质、前体、油、酸碱物，尾气CO₂和O₂。

其中所述的带有工控机及执行元器件的电气控制柜包括高精度蠕动泵(11)；基质补料电子秤(12)；前体或油电子秤(13)；酸碱物电子秤(14)；循环泵(25)；电磁阀(15)；数/模转换器(18)；模/数转换器(17)；下位机(19)；上位机(20)；稀土电机(23)。

其中所述的带安装支架的工艺管道系统包括料瓶(22)；通气流量传感器(26)；全罐秤量支座；取样用特殊支架；罐体总成；快速装拆机座；电动机；管架；油水分离器；减压阀；过滤器；流量计；空气过滤器；压力表；冷却器；管道视镜；热水器；无死体积取样阀；消泡传感器接口；尾气CO₂接口；尾气O₂接口；温度传感器；pH传感接口；DO传感器接口。

上述带安装支架的工艺管道系统、电气控制柜的各个组件及其组成方式均可以按照本领域传统的工艺进行，只要不对本发明的发明目的进行限制即可。

所述工控机及执行元器件的电气控制柜构成本发明所述的生理代谢参数计算装置(20)；其中各种组件均可以采用本领域传统的组件，只要不对本发明的发明目的即可。

具体地，所述的带有工控机及执行元器控制柜中的计算机软件是根据现场数据采集和操作的需求以及工艺优化的要求，进行在线参数采集、离线参数计算、参数数据记录以及部分参数的在线控制，通过局域网同步向上位机传送所有参数的数据，选用组态语言和C语言对上位机和下位机分别进行编程设计，并且在数据记录时使用了简单冗余技术。

更具体地，所述计算机软件可采用华东理工大学国家生化工程技术研究中心(上海)的上位机软件包BIOSTAR。

在本发明的一个具体实施方式中，所述罐体(100)的体积容量在20L～500m³之间。

本发明的其他方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件进行。除非另外说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比。

除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

实施例1

1.材料与方法

1.1菌株

除虫链霉菌(S.avermitilis)，由浙江升华拜克生物股份有限公司提供。

1.2培养基

1.2.1种子培养基配方

玉米淀粉 3wt％  玉米浆 0.5％  酵母粉 1.5％  KH₂PO₄ 0.4％  pH 7.0-7.2

1.2.2发酵培养基配方

玉米淀粉 12wt％  豆粕粉 1％  花生粉 0.5％  酵母粉 1.5％  KH₂PO₄ 0.5％

氯化钴 0.002wt％  碳酸钙 0.08％  pH 7.0-7.2

1.3培养方法

摇瓶培养：将成熟斜面上的孢子用无菌接种铲挖块接种于种子培养摇瓶中，种子摇瓶装量为40ml/250ml摇瓶，于28℃、250r/min旋转式摇床上培养2天。发酵摇瓶接种量为5％，装量为30ml/250ml，于28℃、250r/min旋转式摇床上培养10天。碳氮比实验和金属离子实验利用摇瓶进行。

(1)小试实验

50L反应器发酵：种子罐为15L，发酵罐为50L。发酵罐接种量为10％，培养温度为28℃。装量35L。

(2)放大实验

150T气升式反应器发酵：一级种子罐为100L，二级种子罐为20T，发酵罐为150T。发酵罐接种量为10％，培养温度为28℃。装量110T。

1.4分析测定方法

1.4.1总糖与还原糖测定

使用斐林试剂法测定。

1.4.2氨基氮测定

甲醛法。

1.4.3菌浓(也可用发酵液中菌体离心体积百分比表示，PMV)测定

PMV(packed mycelium volume)法，取10ml发酵液，转速3000r/min离心15min，计算固形物体积占发酵液的比例。

1.4.4阿维菌素效价测定

HPLC条件HP1100色谱系统，色谱柱：Hypersil ODS C-18，5μm，250mm×4.0mm；流动相：CH₃OH/H₂O＝90/10；流速：1.0ml/min；柱温：25℃；检测波长：246nm。

分析方法：取发酵液2.5ml，加入甲醇定容至50ml，充分振荡超声20min，过滤取滤液来测定效价。用微量进样器准确吸取20μl样品滤液注入色谱仪，根据积分面积，利用外标法计算出发酵效价。发酵效价仅指B_La的浓度，标准品由升华拜克提供。

1.4.5菌丝形态图像的采集和处理

图像采集与分析：图像采集用显微镜自带OLYMPUS DP-12(市售得到)。

图像分析软件FerAnaForAv为来自华东理工大学国家生化工程技术研究中心。

定性分析均在放大倍数为100倍下进行；定量分析均在放大倍数为40倍下进行。

菌丝形态参数：

(1)球核面积(core area)；

(2)核区周长(core perimeter)；

(3)菌丝球面积(mycelial area)；

(4)掩图面积(aggregated area)，对菌丝球二值图进行一系列闭运算后获得的菌丝球掩图的面积；

1.4.6有机酸的测定

1.4.6.1流动相的配制

流动相优化实验表明，样品中各组分在磷酸溶液的pH为2.3时分离度最高。取1.26ml85％的磷酸，用超纯水稀释并配制成0.01mol/L的磷酸缓冲液，pH为2.3。用0.45μm合成纤维素酯膜进行真空超滤，超声波脱气后备用。

1.4.6.2标准品的配制

精确吸取0.38ml乙酸、0.41ml丙酸，称取0.4g丙酮酸钠、柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸加入1000ml容量瓶中，用超纯水溶解并配成4.0g/l的有机酸混合标准储备液，然后进行稀释，分别配制成质量浓度均为0.05g/L，0.1g/L，0.5g/L，1.0g/L，1.5g/L，2.0g/L，3.0g/L的系列有机酸标准溶液。

1.4.6.3发酵样品的HPLC分析

取阿维菌素发酵的发酵液10ml，离心去除菌体，将滤液冷冻保存备用。分析时取上清液用0.22μm的膜过滤后进样分析。

1.4.6.4色谱条件

HP1100色谱系统，色谱柱：AquaSep.公司C8(5μm，4.6mm×25cm)。流动相：0.01mol/L磷酸水溶液(pH2.3)；流速：1.0ml/min。进样量：20μL。柱温：室温。检测波长：210nm。

各种有机酸出峰时间(min)依次为：丙酮酸3.565；a-酮戊二酸4.165；乙酸4.882；柠檬酸5.648；琥珀酸6.732；丙酸9.665，结果如图2所示。发酵液中由于有其他氨基酸或者杂质的干扰，各种有机酸的出峰时间(min)与标准的相比有点偏差。

1.5实验设备

TGL-16型高速台式离心机        上海医疗器械厂

Orion828型pH测试仪            ORION RESEARCH，INC.(Orion研究公司)

721型分光光度计               上海第三分析仪器三厂

恒温水浴锅                    上海医疗器械五厂

HP1100型高效液相色谱仪        安捷伦有限公司

DV-II+黏度计                  BROOKFIELD ENGINEERING LABORATORIES，

                              INC.(Brookfield工程实验室公司)

1.5.1采用小试设备50L(A)发酵罐

50L(A)发酵罐除配备温度、转速、消泡、pH、DO等常规的测量控制以外，还配备有高精度补料(基质、酸碱、消泡剂等)的测量与控制、并与尾气CO₂、O₂分析仪连接，整机具有十四个在线参数检测或控制功能，并具有能输入实验室手工测定参数的计算机控制与数据处理软件包BIORADAR，由此可进一步精确得到发酵过程优化与放大所必需的包括各种代谢流特征或工程特征的间接参数，如摄氧率(OUR)、二氧化碳释放率(CER)、呼吸商(RQ)、体积氧传递系数(K_La)等。

主要在线检测参数：

pH：Mettler toledo pH传感器在线检测，由pH数字控制器C901-pH显示(国家生化工程技术研究中心(上海))

DO：Mettler Toledo DO传感器在线检测，由DO数字控制器C901-DO显示(国家生化工程技术研究中心(上海))，调节空气流量或搅拌转速来控制

EO₂：顺磁氧分析仪(Magnos 4G)在线检测(德国H&B公司生产)

ECO₂：不分光红外仪(Uras 3G)在线检测(德国H&B公司生产)

1.5.2中试设备(200M³)

可检测参数有温度、搅拌转速、通气流量、罐压、pH、溶氧(DO)、液位、排气CO₂和O₂、杯式补料系统等，配备下位机控制软件和上位机生物过程检测软件(BIOSTAR)。

2.不同桨叶组合对阿维菌素发酵过程菌体形态及代谢的影响

2.1发酵罐与搅拌浆

15L种子罐：装量7.5L。培养温度28℃，培养时间2天。转速250r/min。

50L罐发酵：装量35L。发酵罐接种量为10％，培养温度为28℃。

工艺控制：前三个小时停搅拌，以利于菌丝体结球。整个发酵过程风量维持在50L/min。3h开搅拌转速400r/min，之后维持该转速直至发酵结束。发酵过程DO维持在临界溶氧20％以上。

桨叶组合参数见表1。

表1不同桨叶组合参数表

具体桨叶的形状和组合可见图3。

2.3实验结果和讨论

2.3.1搅拌对供氧与剪切的影响

在可进行过程优化和数据放大的自控生物反应器装置FUS-50L(A)发酵罐进行除虫链霉菌(S.avermitilis)发酵试验，由数据采集与分析的BIOSTAR软件包人机界面上得到如图1所示的发酵生理代谢参数趋势曲线，由图可看出当发酵开始通过停搅拌降低剪切力时，虽然对丝状菌生长有利，当发酵罐供氧受影响，表现在15小时OUR停止上升，DO下降，pH出现反常现象(即pH下降)，26小时DO跌零，OUR下降，说明由于发酵罐供氧不足引起菌体生理代谢的严重失衡。由此可见，必须精确设计搅拌桨叶，符合阿维菌素发酵的剪切与供氧要求。

2.3.2不同桨叶组合的CFD模拟

2.3.2.1剪切力

直接通过流场模拟可以得到流场剪切场的分布情况：

τ＝μ·γ        (II)

其中τ为剪切力(单位：Pa)，μ为黏度(单位：Pa·s)，γ为剪切应变率(单位：s^-1)可通过下式计算得到：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{2\{{\left(\frac{\∂u}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂w}{\∂x}\right)}^2\}+{(\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂u}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂v}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂z})}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中γ是通过计算流体力学模拟得到的。

已知除虫链霉菌对剪切十分敏感，因此该参数也是我们所要重点考察的，我们分别考察了三种不同桨叶组合形式下的整个流场的平均剪切力，各组合中每层桨叶附近的剪切力，并模拟出了发酵罐中轴切面湍流剪切场，以便更直观地了解罐内的剪切分布。

图4为三种桨叶组合下的罐内流场的平均剪切力比较，第一组远远低于其他两组，且第二组剪切力最大。为了进一步研究我们又将各组桨叶中每层桨叶附近的剪切力进行比较，见图5。第一组和第二组底层弯叶的剪切力几乎一样，但由于上面两层桨叶桨型不同，箭叶剪切力高于三宽，可能是因为三宽叶为轴向流搅拌器，而箭叶为径向流搅拌器。而且由图可见，在上、中层都是箭叶的情况下，底层使用箭叶时的剪切力要比采用弯叶作为底层搅拌桨要高。

图6为三组桨叶的湍动剪切分布图，可以表征区域剪切力大小。区域颜色越接近兰色则该处剪切越小，颜色越接近红色则剪切越大。由图明显可看出第一组几乎没有出现红色区域，三层桨叶附件剪切力比较平均。第二组上层两组箭叶附近剪切很大有红色区，底层弯叶附近剪切与第一组近似。第三组三层桨叶附近都出现红色区域，局部剪切较大。但由图可以看出，剪切力大的区域基本集中在桨叶附近。第二第三组桨叶组合中，罐内剪切力都分布不均匀。

2.3.2.2混合状况

反应器中料液的混合状况也是一个重要考察参数，图7为模拟出的不同桨叶组合下发酵罐中轴切面的速度矢量场。速度矢量就是代表速度大小和方向的一个矢量。箭头方向代表速度方向，颜色代表速度大小，红色是速度最大，蓝色是速度最小。

由图7速度矢量场可以反映出料液在不同桨叶组合下的一个混合情况。第一组桨叶两档三宽叶使中上层料液有一个径向流，实现料液上下混合，其混合状况最优。而第二组组合次之，每层桨叶有各自的一个循环，料液分层，只有层与层间的接触面才能实现上下料液的混合。第三组中上层混合情况与第二组类似，但是底层箭叶的采用致使底层桨叶与罐底出现死区。由此判断，箭叶不适合做为底层桨叶。桨叶附近料液流速最高。颜色差别大，速度梯度大的区域，表示剪切力较大。从图中可以明显看出桨叶附近色差大，剪切力亦较大。

2.3.2.3气含率和氧传质系数K_La

气含率就是通气情况下单位体积的发酵液中所含空气的百分比。由图8所示，第二组的气含率最低。分析可能是由于第一组混合充分，气体分布均匀，而第三组则可能是由于混合不均，局部气含率较高。这反映的是整个罐内气体分布的状况，要进一步研究气体传递问题，就必须再讨论氧传质系数K_La。

将K_La分开计算，即先计算K_L和a的值，再求积

$k_L=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{D_L}{\left(\frac{\mathrm{\ϵ\ρ}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{1/4}---(4-3)$

其中D_L＝2.1e-09m^2s^-1为氧气在水中的扩散系数，μ(单位：Pa·s)，ρ(单位：kg/m³)分别为水的黏度和密度。ε(单位：W/kg)为湍动能扩散速率。

比表面a的求法

$a=\frac{6\mathrm{\φ}}{d_b}---(4-4)$

其中φ为局部气含率(无量纲)可通过模拟得到，d_b为平均气泡直径(单位：m)本模拟中取为0.004m。

图9为不同桨叶组合条件下平均K_La和各层桨叶K_La的比较。可见各组平均K_La的趋势与气含率一致。这可能也是混合和剪切的双重影响下导致的。第三组三档箭叶的K_La均分别高于另外两组的各层桨叶的K_La值。而且第三组组合中各层桨叶周围的K_La与反映器平均K_La明显差别较大，也证明了第三种组合中气体分布和传递都存在着不均匀的问题，这与速度矢量场反映出的混合状况也是相对应的。

2.3.1.4搅拌功率

搅拌轴功率可通过以下公式进行计算：

轴功率＝∑(桨叶受到的扭矩×搅拌转速)        (4-5)

图10为三种桨叶组合形式在同样操作条件下的平均消耗功率比较。可见第一种组合平均消耗功率最低，而第三种最高。而图11则为各桨叶组合中，各桨叶的消耗功率。第一组桨叶组合中，三层桨叶的消耗功率都较低。第二组，上面两层箭叶消耗功率近似，而底层弯叶功率较低。第三组三档箭叶的组合，底层箭叶的消耗功率高于上面两层。可见能量利用率最高的是第一组桨叶组合。桨叶差异在其几何结构上，几何结构的改变同时将造成流场结构的改变。同时桨叶轴功率与桨叶上的扭矩成正比，对于不同几何结构的桨叶其受到的扭矩是不同的，所以即使在相同的转速情况下，不同桨叶的功率也会有相差。这在大生产上考虑能耗方面会有实际应用意义。

2.3.1.5

CFD模拟小结

第一组搅拌消耗的功率最低，平均剪切力最小，但气含率高，平均氧传递系数最大。第二种组合搅拌消耗的功率较高，平均剪切力最大但气含率少，平均氧传递系数也最低。第三种组合在同样操作条件下功率消耗最高，且会存在混合的死区，可见以箭叶形式作为最低层桨不合适。桨叶后方总会有尾涡存在，尤其是径流桨。同种桨在不同桨叶组合中作用也不一样。

2.3.2不同桨叶组合下菌丝形态学参数以及碳氮代谢分析

2.3.2.1菌丝形态分析

图12为不同桨叶组合下除虫链霉菌发酵过程中菌丝形态参数球核面积，核区周长，菌丝球面积，圆形因子，菌丝球密度，边缘菌丝密度的变化趋势。Im01和Im02组菌丝形态尺寸参数(球核面积，核区周长和菌丝球面积)的变化趋势一致：球核面积和核区周长都是维持在某一值(Im01的球核面积和核区周长分别维持在6500m²和350m左右；Im02的球核面积和核区周长分别维持在5000m²和325m左右)，到200h左右开始缓慢下降。而该两组的菌丝球面积则是从10000m²以上下降到一值(分别依次为7000m²和5500m²左右)后维持到200h左右开始下降。这跟除虫链霉菌发酵过程中菌球变化规律一致，即发酵初期为粗糙菌丝球(外围菌丝多)，而后随着发酵的进行越来越光滑。因此发酵初期菌丝球面积较大。Im03的菌丝形态尺寸参数(球核面积，核区周长和菌丝球面积)的变化趋势与另外两组有些不同，其该三项参数都是先减小之后再上升到某一值(球核面积，核区周长和菌丝球面积分别约为7000m²、380m和7500m²)维持一段时间(50h到120h左右)后下降，到230h后有一个小幅度的回升。

三组数据的圆形因子变化趋势一致，都是缓慢下降的，可见菌球在发酵过程中有个趋于圆的倾向，但是最后为1.3左右仍为椭球状。菌丝球密度同样趋势基本一致，为增大到某一值后维持稳定，这是由于发酵初期菌球一般比较松散。而整个发酵过程中外围菌丝密度波动较大。

将三组数据分段进行比较：50h到200h之间，三组实验的菌丝形态尺寸参数(球核面积，核区周长和菌丝球面积)都较稳定的时候，我们发现Im02组的菌球最小(三项参数都最小)，与该组平均剪切力最大(如图4)相对应；但150h之前Im03菌球又大于其他两组，但该组的平均剪切力是介于另两组之间的，参照此时Im03的菌球密度较小来看可能由于混合死角的存在，使局部营养物质传递受阻，菌球较松散所致。如图9所示Im03组各层桨叶的K_La差别也较大。后期可能由于生长不如前期旺盛菌球主要受剪切影响，菌球变小与Im02组接近。外围菌丝密度在50h到150h之间，三组实验数据也有明显的差别。Im01组明显高于另两组，外围菌丝密度越大外围菌丝越紧密，这可能由于该组平均剪切力最小，外围菌丝生长旺盛绞联紧密所致，后期可能由于菌丝生长缓慢，外围菌丝渐渐松散。230h后只有Im03组的球核面积，核区周长和菌丝球面积有明显的小幅度回升，这可能与菌体自溶有关。

剪切力最大的组其菌球尺寸最小，这可能是由于搅拌的两个物理效应，即削去菌球外围的菌膜，减小粒径，以及菌球破碎。混合不均引起的传质受阻也会引起菌丝形态的变化，会使菌球比较松散。外围菌丝在发酵前期的生长也会受到剪切力的影响，较小的剪切力利于外围菌丝的生长。

2.3.2.2碳氮代谢分析

图13显示了三种桨叶组合形式下除虫链霉菌发酵过程中总糖，还原糖，氨氮消耗，pH，PMV及其效价的变化趋势。

如图所示，Im01糖的消耗比其他两组快，可能是因为剪切力小气含率高，菌球生长较好。三组桨叶组合下发酵过程中的还原糖，氨氮，pH变化趋势基本一致。整个发酵过程中的PMV基本上是Im02组的值最小，这与该组在整个发酵过程中菌球都最小相对应；而Im03组的PMV最大，前期是由于其菌球较大，后期则可以证明是由于受到剪切力的作用被破碎成较小而紧密的菌球。而Im03组PMV在250h后的下降是菌体自溶又一表象。从效价看，Im01明显优于其他两组，该桨叶组合剪切力最小，菌球尺寸维持一定值的时间最长，这跟前面研究的结论一致，即菌球尺寸维持一定值而非持续下降对菌体产素有利。250h时将Im02和Im03的效价做比较，im03已经没有长势，最后一天可能是由于菌体自溶，胞内物质释放，才使效价上升幅度较大，可见前期菌球尺寸过大并不利于阿维菌素合成，也有可能维持其合成还与菌球密实与否有关。

2.4小结

我们使用50L发酵罐设计了三种桨叶组合进行实验(从上到下)：三宽-三宽-六弯叶、六箭叶-六箭叶-六弯叶以及六箭叶-六箭叶-六箭叶。发酵过程中采用同样的工艺条件，以排除由于发酵条件不同带来的影响。经过CFD模拟以及碳氮和菌丝形态分析我们得到如下结论：

(1)三宽-三宽-六弯叶的组合消耗的搅拌功率最低，平均剪切力最小，气含率高，平均氧传递系数最大，混合状况最优，既有轴向循环又有径向循环。六箭叶-六箭叶-六弯叶的组合消耗搅拌功率高，平均剪切力大但气含率少，平均氧传递系数也最低。六箭叶-六箭叶-六箭叶的组合底层桨叶和罐底之间存在混合的死区，表明以箭叶作为最低层桨不合适，同样操作条件下功率消耗最高。同种桨在不同桨组合情况下作用也不一样。

(2)剪切力最大的组其菌球尺寸最小，即球核面积，核区周长和菌丝球面积这三项参数值都小于其他两组。混合不均引起的传质受阻也会引起菌丝形态的变化，会使菌球比较松散。外围菌丝在发酵前期的生长也会受到剪切力的影响，较小的剪切力利于外围菌丝的生长。

(3)三宽-三宽-六弯叶的组合最后效价明显优于其他两组，该桨叶组合剪切力最小，菌球尺寸维持一定值的时间最长，这跟前面研究的结论一致，即菌球尺寸维持一定值而非持续下降对菌体产素有利。但六箭叶-六箭叶-六箭叶组合在前期菌球较大，后期较另外两组自溶早，可见前期菌球尺寸过大并不利于后期阿维菌素合成。

实施例2：

如图14所示，本发明的自控生物反应器装置包括带有搅拌器(104)的生物反应器罐体(100)，该装置由带电机和搅拌器(104)的发酵罐体、具有多参数检测及控制的仪器仪表和传感装置的传感系统、带安装支架和工艺管道系统以及带有工控机及执行元器件的电气控制柜组成，其中所述的传感系统包括温度传感器(1)，pH传感器(2)，溶解氧传感器(3)，全罐秤量传感器(4)，尾气CO₂接口(5)，尾气O₂接口(6)，测速传感器(7)，压力传感器(8)，消泡传感器(9)，活细胞量传感器(10)；所述的参数是指温度，搅拌转速，通气流量，罐压，消泡，pH，溶解氧浓度，发酵液真实体积及重量，补料量包括基质、前体、油、酸碱物，尾气CO₂和O₂。

所述的带安装支架的工艺管道系统包括料瓶(24)等。

所述的带有工控机及执行元器件的电气控制柜包括高精度蠕动泵(13)；基质补料电子秤(14)；前体或油电子秤(15)；酸碱物电子秤(16)；循环泵(17)；电磁阀(18)；数/模转换器(19)；生理代谢特征参数计算装置(20)；下位机(21)；上位机(22)；调制解调器(23)；稀土电机(25)，通气流量传感器(26)。

所述的带有工控机及执行元器控制柜中的计算机软件可以根据现场数据采集和操作的需求以及工艺优化的要求，进行在线参数采集、离线参数计算、参数数据记录以及部分参数的在线控制，通过局域网同步向上位机传送所有参数的数据，选用组态语言和C语言对上位机和下位机分别进行编程设计，并且在数据记录时使用了简单冗余技术。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1、一种对使用生物反应器装置的发酵过程进行优化的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

(a)采用流体力学计算(CFD)方法，模拟测定在所述发酵过程中所用的生物反应器装置中的流场；

(b)确定所述流场对应的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合；

(c)参照预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合，校验或修正生物反应器装置的流场，从而确定优化的生物反应器装置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物反应器装置选自丝状微生物发酵装置；优选地，选自制备阿维菌素的丝状微生物发酵装置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)采用流体力学计算(CFD)方法的模拟测定过程中，

采用奈维-斯托克斯方程(NS方程)进行模拟测定，且所述湍流模型为

$\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{rU\φ}\right)}{r\∂r}+\frac{\∂\left(\mathrm{V\φ}\right)}{r\∂\mathrm{\θ}}+\frac{\∂\left(\mathrm{W\φ}\right)}{\∂z}=S_{\mathrm{\φ}}+\frac{\∂}{r\∂r}\left(\frac{\mathrm{r\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}\right)+\frac{\∂}{r\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{r\∂\mathrm{\θ}}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{\mathrm{\Γ}\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}\right)---\left(I\right);$

其中，所述φ、t、r、U、V、θ、W、z、S_φ、Γ分别代表：

φ为通用求解变量，t为时间(s)，r，θ，z分别为柱坐标系下的三个坐标，U、V、W为速度矢量在笛卡尔坐标系下的三个分量，S_φ是相对于变量φ的源项，Γ为相对于变量φ的有效湍流交换系数；

和/或

采用的流体力学计算方法为多参考坐标内外迭代滑移网格法，其计算公式根据下式(II)

τ＝μ·γ    (II)

其中τ为剪切力，单位：Pa，

μ为黏度，单位：Pa·s，

γ为剪切应变率，单位：s^-1，可通过下式(III)计算得到：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{2\{{\left(\frac{\∂u}{\∂x}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂y}\right)}^2+{\left(\frac{\∂w}{\∂x}\right)}^2\}+{(\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂u}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂v}{\∂z}+\frac{\∂w}{\∂z})}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，x、y、z分别为直角坐标系中三个方向的坐标，u、v、w则分别为三个方向上的速度分量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)确定所述传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述传气参数选自气含率、氧传质系数K_La或其组合；

其中，

所述气含率的含义是通气情况下单位体积的反应液中所含空气的体积百分比；

所述氧传质系数K_La为K_L和a的值的求积，

所述K_L通过如下式(IV)计算得到；

$k_L=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{D_L}{\left(\frac{\mathrm{\ϵ\ρ}}{\mathrm{\μ}}\right)}^{1/4}---\left(\mathrm{IV}\right)$

其中D_L为氧气在水中的扩散系数，

ε为湍动能扩散速率，单位为W/kg，

ρ为水的密度，单位kg/m³；

μ为水的黏度，单位：Pa·s，

所述a通过下式(V)计算得到：

$a=\frac{6\mathrm{\φ}}{d_b}---\left(V\right)$

其中φ为局部气含率，无量纲，

d_b为平均气泡直径，单位：m。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)确定所述传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述能耗参数选自搅拌轴的轴功率，

所述搅拌轴的轴功率通过如下式(VI)计算得到：

轴功率＝∑(桨叶受到的扭矩×搅拌转速)    (VI)。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)确定所述传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合时，

所述生理代谢参数选自菌丝形态学参数、碳氮代谢参数或其组合；

优选地，所述菌丝形态学参数包括：球核面积、核区周长、菌丝球面积、掩图面积、圆形因子、菌丝球密度、边缘菌丝密度或其组合；

优选地，所述碳氮代谢参数包括：总糖、还原糖、氨氮消耗、pH、发酵液中菌体离心体积百分比(PMV)、效价或其组合。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(c)确定优化的生物反应器装置时，

包括以下步骤(i)或步骤(ii)中的一种或多种：

(i)将测定的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合与预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合进行比较，选出与所述预定值最为接近的生物反应器装置；确定优化的生物反应器装置；

或者

(ii)对多个生物反应器装置的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合进行比较，确定优化的生物反应器装置；

(iii)将测定的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合与预定值的传气参数、能耗参数、生理代谢参数或其组合进行比较，用于校验或修正有关装置设计，从而确定优化的生物反应器装置和相应的工艺。

8.一种可进行过程优化和数据放大的自控生物反应器装置，所述自控生物反应器装置包括带有搅拌器(104)的生物反应器罐体(100)，以及对所述生物反应器的工艺控制参数进行检测及控制的仪器仪表，其特征在于，所述罐体(100)上设置：

-用于获得工艺控制参数的传感装置单元(101)，所述传感装置单元(101)包括设置在所述罐体(100)上的溶解氧传感器(3)、活细胞量传感器(10)；

-与所述传感装置单元(101)连接的生理代谢参数计算装置(20)，所述生理代谢参数计算装置(20)将所述传感装置单元(101)获得的工艺控制参数转化为作为数据放大基础的生理代谢参数。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的传感单元(101)还包括温度传感器(1)，pH传感器(2)，全罐秤量传感器(4)，尾气CO₂接口(5)，尾气O₂接口(6)，测速传感器(7)，压力传感器(8)，消泡传感器(9)或其组合。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述罐体(100)的体积容量在50L～500M³之间。

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