發(fā)酵過程優(yōu)化與放大的方法與裝置的制造方法
【專利說明】維生素b12發(fā)酵過程優(yōu)化與放大的方法與裝置
[0001] 本分案申請申請人于2008年9月11日提交的申請?zhí)枮?00810042761. 8、發(fā)明名 稱為"維生素B12發(fā)酵過程優(yōu)化與放大的方法與裝置"的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種發(fā)酵過程優(yōu)化與放大的方法及其裝置，尤其是涉及一種維生素b12 發(fā)酵過程優(yōu)化與放大的方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 為了使小型發(fā)酵試驗所獲得的規(guī)律和數(shù)據(jù)能在大生產(chǎn)中再現(xiàn)，就要掌握和運用放 大技術(shù)。現(xiàn)有技術(shù)中一般采用相似原理進(jìn)行比擬放大。具體地，現(xiàn)有技術(shù)中比擬放大的基 本方法是：首先必須找出表征此系統(tǒng)的各種參數(shù)，將它們組成幾個具有一定物理含義的無 因次數(shù)，并建立它們之間的函數(shù)式，然后用實驗的方法在試驗設(shè)備里求得此函數(shù)式中所包 含的常數(shù)和指數(shù)，則此關(guān)系式便可用作與此試驗設(shè)備幾何相似的大型設(shè)備的設(shè)計。
[0004] 所有放大原則的目的都在于從大量的試驗材料中把握和找出影響生產(chǎn)過程的主 要矛盾，從而使得大型設(shè)備的規(guī)律和數(shù)據(jù)在小型發(fā)酵試驗所獲得的規(guī)律和數(shù)據(jù)能在大生產(chǎn) 中再現(xiàn)。目前通用的放大準(zhǔn)則包括：
[0005] (1)幾何相似：其函數(shù)式如下式（I)
[0006] A/Df Di2/Dn=以2/%)1/3 式⑴
[0007] D-------------反應(yīng)器直徑
[0008] Di-------------攪拌器直徑
[0009] V--------------反應(yīng)器的裝料容積
[0010] (2)恒定等體積功率放大由Pg/V恒定而確定攪拌轉(zhuǎn)速。
[0011] (3)恒定傳氧系數(shù)kLa放大
[0012] (4)恒定剪切力恒定葉端速度放大剪切力與攪拌槳葉端速度成正比，在恒定體積 功率放大時一般維持n 3d2不變（n為攪拌槳轉(zhuǎn)速、d為攪拌槳直徑）
[0013] (5)恒定的混合時間tM放大等。
[0014] 在應(yīng)用上述放大原則（或準(zhǔn)則）的放大過程中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過有限的 試驗建立類似式（I)的函數(shù)式，這些函數(shù)式屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不作詳述。
[0015] 但是上述現(xiàn)有的放大準(zhǔn)則的不足之處在于，其都是基于細(xì)胞外的參數(shù)檢測為基礎(chǔ) 的最佳工藝控制點為依據(jù)的靜態(tài)操作方法，沒有著眼于基于細(xì)胞代謝物質(zhì)流分布變化的有 關(guān)現(xiàn)象特征參數(shù)。在放大時不可能同時做到幾何相似、流體運動學(xué)相似和流體動力學(xué)相似， 當(dāng)在小試研宄時某一個對生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個因素恰恰在放大 時成為關(guān)鍵因子時，會導(dǎo)致量變引起質(zhì)變，從而造成整個發(fā)酵過程的失敗。因此，本領(lǐng)域缺 乏基于生理代謝特征參數(shù)的放大原則及其方法。
[0016]目前，采用現(xiàn)有的放大原則對維生素B12發(fā)酵過程優(yōu)化與放大，特別是放大到工業(yè) 規(guī)模水平時遇到了問題，體現(xiàn)在維生素B 12的發(fā)酵單位都不高于125 y g/ml，低于小型發(fā)酵 試驗的發(fā)酵單位。
[0017] 現(xiàn)有技術(shù)中，維生素B12通常是指含鈷離子的鈷胺素類化合物。它是一種重要的生 物活性物質(zhì)，是哺乳動物的造血因子，可以用來治療惡性貧血癥，同時它也是許多微生物和 動物的生長因子。維生素B12的生物合成嚴(yán)格限于微生物中，自然界中VB12的合成途徑存 在兩種不同的路線：（1)需氧合成途徑，比如脫氮假單孢桿菌（P. denitrificans)等微生物 中；（2)厭氧合成途徑，比如Bacillus megaterium、P. shermanii、Salmonella typhimurium 等微生物中。長期來，VB12的合成研宄與與生產(chǎn)大多停留在厭氧發(fā)酵途徑；經(jīng)過至少25年 的努力，借助于遺傳學(xué)和分子生物學(xué)手段以及與酶學(xué)、化學(xué)合成、同位素標(biāo)記、核磁共振波 譜學(xué)等相結(jié)合，P. denitrificans中VB12的需氧合成途徑才在1993年被完整地闡述。如式 II所示的反應(yīng)式顯示了各種微生物維生素B 12生物合成途徑的示意，以及需氧合成途徑與 厭氧合成之間的差異。
【主權(quán)項】
1. 一種對使用生物反應(yīng)器裝置的發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化放大的方法，其特征在于，所述方 法包括步驟： (a) 測定所述生物反應(yīng)器裝置的所述發(fā)酵過程中的生理代謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān) 特性或其組合； 其中所述生理代謝參數(shù)選自：供氧量、溶氧、攝氧率、PH、二氧化碳釋放率、呼吸商、活細(xì) 胞量和細(xì)胞形態(tài)、測定的代謝產(chǎn)物或基質(zhì)消耗、或其組合； (b) 將步驟（a)測定的所述生理代謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性與預(yù)定值的生理代 謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性或其組合進(jìn)行比較；選出與所述預(yù)定值最為接近的生物反 應(yīng)器裝置；確定優(yōu)化的放大生物反應(yīng)器裝置； 其中所述生理代謝參數(shù)如步驟（a)所述； 所述步驟（b)中所述的預(yù)定值是小罐發(fā)酵條件下的生理代謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān) 特性或其組合； 其中，所述生物反應(yīng)器裝置相對于小罐體積的放大倍數(shù)不低于20~2000倍之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物反應(yīng)器裝置選自維生素B12發(fā)酵裝 置。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物反應(yīng)器裝置是容量為 20L-2000m3的發(fā)酵罐。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟（a)中，該方法通過檢測生物反應(yīng) 器的多個工藝控制參數(shù)以獲得所述發(fā)酵過程中的生理代謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性或 其組合， 其中所述多個工藝控制參數(shù)為攪拌轉(zhuǎn)速，通氣流量，罐壓，消泡，PH，溶解氧濃度，發(fā)酵 液真實體積及重量，補料量包括基質(zhì)、前體、油、酸堿物，尾氣(302和O2。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟（b)的比較過程中，還包括如下步 驟： (i) 將步驟（a)測定的所述生理代謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性與預(yù)定值的生理代 謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性或其組合進(jìn)行比較； (ii) 調(diào)節(jié)所述生物反應(yīng)器裝置的生理代謝特征參數(shù)特征、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性或其 組合，使得所述生物反應(yīng)器裝置的生理代謝特征參數(shù)特征相對于所述預(yù)定值的差異不高于 10~15%之間，選定與所述預(yù)定值最為接近的生物反應(yīng)器裝置； (iii) 確定優(yōu)化的放大生物反應(yīng)器裝置。
6. -種可進(jìn)行過程優(yōu)化和數(shù)據(jù)放大的自控生物反應(yīng)器裝置，所述自控生物反應(yīng)器裝置 包括帶有攪拌器（104)的生物反應(yīng)器罐體（100)，以及對所述生物反應(yīng)器的工藝控制參數(shù) 進(jìn)行檢測及控制的儀器儀表，其特征在于，所述罐體（100)上設(shè)置： -傳感裝置單元（101)，所述傳感裝置單元（101)包括設(shè)置在所述罐體（100)上的溶解 氧傳感器（3)、活細(xì)胞量傳感器（10); -與所述傳感裝置單元（101)連接的生理代謝特征參數(shù)計算裝置（20)，所述生理代謝 特征參數(shù)計算裝置（20)將所述傳感裝置單元（101)獲得的工藝控制參數(shù)轉(zhuǎn)化為作為數(shù)據(jù) 放大基礎(chǔ)的生理代謝特征參數(shù)。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述罐體（100)的體積容量在20L-2000m3 之間。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的傳感單元（101)還包括溫度傳感器 (I)，pH傳感器（2)，全罐秤量傳感器（4)，尾氣0)2接口（5)，尾氣O2接口 (6)，測速傳感器 (7)，壓力傳感器（8)，消泡傳感器（9)或其組合。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種維生素B12發(fā)酵過程優(yōu)化與放大的方法與裝置，具體包括對使用生物反應(yīng)器裝置的發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化放大的方法，所述方法包括步驟：(a)測定所述生物反應(yīng)器裝置的所述發(fā)酵過程中的生理代謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性或其組合；其中所述生理代謝參數(shù)選自：溶氧、攝氧率、pH、二氧化碳釋放率、呼吸商、活細(xì)胞量或細(xì)胞形態(tài)、測定的代謝產(chǎn)物或基質(zhì)消耗、或其組合；(b)將步驟(a)測定的所述生理代謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性與預(yù)定值的生理代謝參數(shù)、生理代謝參數(shù)相關(guān)特性或其組合進(jìn)行比較；選出與所述預(yù)定值最為接近的生物反應(yīng)器裝置；確定優(yōu)化的放大生物反應(yīng)器裝置；其中所述生理代謝參數(shù)如步驟(a)所述。
【IPC分類】C12M1-36, C12P19-42, C12M1-02, C12M1-34, C12M1-38
【公開號】CN104789618
【申請?zhí)枴緾N201510176693
【發(fā)明人】莊英萍, 張嗣良, 李昆太, 劉東洪, 儲炬, 王永紅, 黃明志, 杭海峰
【申請人】華東理工大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2008年9月11日
【公告號】CN101775424A