抗生素发酵过程优化技术研究
［摘要]: 本文以抗生素发酵的工业生产为目标, 讨论发酵过程优化技术进展。认为当前存在的主要问题是缺乏以细胞代谢流为核心的过程分析， 采用动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法实质上只是化学工程动力学概念在发酵工程上的简单延伸。文章在研究反应器物料流与微生物细胞代谢流的相关特性后, 提出了基于参数相关的发酵过程多水平问题研究的优化技术， 先后成功地应用在青霉素、红霉素、金霉素、链霉素等发酵产品中。又进一步对抗生素作为次级代谢产物的参数相关特性进行研究， 认为由遗传因素决定的生物大分子合成体系的代谢特性与参数变化的松散相关或基因水平的启动相关， 造成以抗生素生产为目标的趋势曲线相关分析的困难。文章讨论了优化控制理论在抗生素发酵过程优化中的应用, 认为发酵过程初期出现的混沌现象, 应从细胞生物学角度找原因, 从宏观到微观， 由细胞生长代谢到基因表型特性, 有可能对提高抗生素发酵生产具有重要意义。
［关键词]: 抗生素; 发酵; 过程优化
采用发酵工程技术生产医药产品是制药工程的重要部分, 其中抗生素是我国医药生产的大宗产品, 随着基因工程技术的进展， 基因工程药的比例逐渐增大, 但抗生素在国计民生中所起的作用是不能完全替代的， 特别是西方国家出于能源和环保的考虑， 转产生产高附加值的药物, 留出了抗生素的市场空间, 为我国的抗生素生产发展提供了机遇, 作为一个发展中的国家， 可以说在相当长时间内, 我国抗生素生产在整个医药产品中仍占很大的比例, 因此抗生素类发酵过程优化技术研究对医药行业的生产具有重要的经济和社会意义。
1 抗生素发酵过程优化研究中主要存在的问题
长期以来为了提高抗生素发酵水平, 把注意力主要放在菌种筛选与改造, 或从国外引进菌株。近年来，随着现代生物技术的日益发展， 尤其是基因工程和代谢工程技术的发展, 已经取得了引入注目的效果, 主要有: ( 1) 将生物合成途径中关键酶基因克隆来改良现有抗生素生产菌种[１] ; （ 2) 将抗生素生物合成产生副产物的酶基因敲除， 以提高产生抗生素的能力[ ２］ ; ( 3) 克隆外源基因以改良原菌种的发酵生理特性[3] ; ( 4） 克隆外源抗生素合成基
因簇来合成新的抗生素等。但是在通过各种方法得到一个高产菌株后, 在实际发酵操作时,往往忽视了生物反应器中工程问题所必须加以考虑的工艺变化和过程优化。随后的逐级放大与优化基本上是以最佳工艺控制点为依据, 采用人工经验为主的静态操作， 在方法上基本以正交试验为基础。因此， 发酵过程优化与放大始终是生化工程中一个复杂问题的二个侧面, 人们从不同的角度进行研究[5] 。
此外， 随着计算机技术的迅速发展， 各抗生素发酵工厂已普遍采用计算机在线控制, 主要在补料操作上采用杯式流加技术, 基本上满足了抗生素工业发酵生产上所需要的高精度控制补料速率问题， 对提高发酵效价起了重要作用。但由于对抗生素发酵过程的认识不能深入， 对操作条件变化的适应能力差, 为此, 许多抗生素发酵工厂在生产罐上又进一步配置了溶氧电极、pH电极, 甚至排气氧和二氧化碳浓度测量。但对测量参数及其变化的意义缺乏理解， 由于以动力学研究为根据的反应器设计原理的局限性, 不能深入解释。例如发酵过程溶氧变化意味着什么? 是基因水平， 细胞水平, 还是反应器工程水平问题。大多仅停留在经验法则, 缺乏过程分析的理论指导, 因此, 计算机控制只能解决批间操作的不稳定问题, 对发酵获得的高效价批号不能总结, 一个新品种的投产仍需很长时期， 实际效果不明显。
因此, 在综合各种检测参数的基础上, 提出发酵过程的优化控制理论, 切实可行地解决工业生产中实际问题就成为当前工业发酵迫切需要解决的重要课题。
2 基于参数相关的发酵过程优化技术研究
作者回顾了长期来发酵过程优化与放大所依据的基本思想和方法后, 认为采用以动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法, 实质上只是化学工程动力学概念在发酵工程上的简单延伸。例如, 用氨水调节pH 时， 关心的是最佳pＨ 值， 却不注意氨水加量的动态变化及其与其他参数的关系。在溶解氧浓度（ＤO) 测量与控制时, 关心的是最佳ＤO 值或临界值,不注意细胞代谢时的耗氧率, 更不去考虑从其他参数相关特性来解释细胞代谢或形态特性等变化。显而易见, 用在以活细胞代谢为主体的发酵过程就有很大的局限性, 应该重视细胞代谢流的存在。为此， 作者提出了以细胞代谢流为核心的生物反应工程学的观点[５] 。这些工程学观点包括生物反应器中多水平尺度问题( 分子水平遗传特性、细胞水平代谢调节、反应器水平的三传) 研究; 细胞代谢流分
布变化的有关现象特征的获得与分析; 强调从宏观到微观的反应器物料流与微生物细胞代谢流的相关特性研究; 以及由于发酵过程的高度非线性和多容量特征, 提出数据驱动型的参数相关的优化与放大理论。通过实验研究, 又进一步提出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。
作者试图以生物反应器中物料流检测的观点, 在实验室规模发酵罐上除了常规的温度、搅拌转速、消泡、pH、溶解氧浓度( ＤＯ) 等测量控制以外， 还配置了发酵液真实体积、高精度补料量（ 如基质、前体、油、酸碱物) 测量与控制， 高精度通气流量与罐压电信号测量与控制， 并与尾气CO2 和Ｏ2 分析仪连接, 整机具有14 个以上参数检测或控制。设计研制成能输入实验室手工测定参数的计算机控制与数据处理系统, 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， 如耗氧率(OＵR) 、二氧化碳释放率(CＥR) 、呼吸商(RＱ) 、体积氧传递系数(ＫLa) 、比生长速率（L） 等。图1 为计算机参数检测与控制系统示意图,在装置研究的基础上, 形成了商品化实验室生物反应器, 定型为ＦUS250L （ A) 的新概念生物反应器[6] ,成功地应用在青霉素、红霉素、金霉素、链霉素等发酵, 取得了大幅度提高发酵水平的效果， 并直接放大到5０ 到１00ｍ3 以上生产规模
发酵罐。
/ 八五０期间在华北制药厂以青霉素发酵为对象,在配有16 个检测参数的
自-抗生素发酵过程优化技术研究
