发酵实践教学平台建设探索*

◆刘艳 孟威 周毓麟 王贞佐 王迪

发酵实践教学平台建设探索*

◆刘艳 孟威 周毓麟 王贞佐 王迪

发酵工程作为现代生物技术四大工程的核心，在实践教学中广泛设课。但实验中存在发酵液易染菌等问题，且无法根据需要进行pH值、补气和助剂等相关补给调节。吉林大学国家级生物实验教学示范中心根据现有校内实训基地条件开发三级发酵罐接种、补料及水循环利用自控系统，收到可喜的社会经济效益，得到广泛应用与推广。

发酵工程；实践教学；接种；补料

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.164

发酵工程作为现代生物技术四大工程的核心，是一门实践性极强的学科，涉及知识面广泛，是医药、轻工食品、农业、环保、能源等研究生产的关键技术和必不可少的重要环节，是工业化和转化生产的基础，是传统粗放型经济增长方式转变为资源节约型、环境友好型的必然道路。发酵工程实践教学在专业课程体系中举足轻重，起着承上启下的作用，其平台建设水平直接影响着教学质量，影响着学生的专业素质。在发酵过程中如何控制与实现由菌种逐级扩培罐到发酵生产罐的自动接菌、发酵罐的自动补料、用水的回收循环利用自动控制，是目前本科生发酵工程实践教学以及科研生产的瓶颈问题。

1 现有发酵罐存在的问题

发酵过程优化与放大一直是其发展的关键问题。目前大多数高校的发酵实践平台以单罐发酵为主，在进行扩大发酵时需将发酵液由小罐取出，放入相应大容量的发酵罐中，在移罐过程中容易造成发酵液染菌，影响实验结果，且单罐发酵过程中根据需要调整相关变量时，仅能进行pH值、补气、助剂等单一因素的调节，同时进行物料自动接种、自动补料的发酵罐尚无。

2 设计思路

发酵工程的特点 发酵工程是21世纪工业生物技术产业的核心，通过基础理论研究、共性关键技术研究，实现产品的优化和放大，开启了生物经济时代，产品涉及食品、医药、动物细胞大规模培养、环境保护、生物能源等诸多方面。发酵工程分为上游、中游和下游工程。其中，上游工程是优化种株、确定最优发酵条件的过程；中游工程是指在最优发酵条件下，大量产生和积累专门的代谢产物的工艺过程，需要有严格的无菌生长环境，多种变量因素在以“速率”级变化的过程中促进高产菌株（或细胞株）的逐级扩培，通过对生化反应做定量的和动力学方面的考察，调整变量因素，得到最优中游产物，进行下游的分离纯化。

结合现有条件改造升级设计 发酵过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，产生大量宏观生物信息和海量数据，是一个时空多尺度结构的复杂系统。如何在海量数据中寻找过程优化敏感参数，是发酵过程优化与放大的关键点［1］。以往多采用实验室手工测定参数，进行补给调整，但易造成染菌等问题，在线测定是发酵工程必然的发展趋势。

利用吉林大学国家级生物实验教学示范中心（以下简称实验中心）校内实训平台现有独立的5 L、10 L、100 L发酵罐，设计开发逐级放大发酵过程中自动接种、自动补料、循环水自动利用等系统。在原有上位机及原有软件控制系统的基础上，与企业研发部门合作进行检测参数与控制参数相关性拟合，更新相应软件功能，实现接种、补料、水循环利用的自动控制。同时，根据反馈控制条件，要求选配相应附属设施，并布局管路、连接件、阀门的选择与安装。

图1 逐级放大接种示意图

图2 自动接菌监测与控制系统示意图

图3 自动补料系统示意图

3 三级发酵罐的开发

自动接种系统的开发 发酵过程中菌种污染将导致整个发酵过程的失败，影响实践教学顺利完成，并导致实验教学成本加大。为此以5 L、10 L、100 L三个独立的发酵罐为基础，以菌液浓度（光密度OD值）为反馈控制检测指标，通过密闭管路和电磁阀的路径连接，实现菌种培养和逐级放大发酵菌种的自动接种控制［2］（见图1）。

自动接种系统是在一级种子培养中，通过菌种对数生长期OD值设定与检测反馈信号，自动控制电磁阀的开启，靠一级种子罐自身压力将培养好的种子转移到二级种子罐中。同理，自动控制二级、三级种子的培养与接种，从而实现逐级放大发酵接种过程的自动控制。整个接种过程在一个密闭过程中完成，避免了外加式接种带来的发酵染菌危险（见图2）。

自动补料系统开发 发酵过程中需要保证一定的营养物质，以使菌体正常生长和代谢产物合成。在分批发酵中，因一次投料过多，造成发酵液环境突变、菌丝大量生长、泡沫难控制、装罐系数减少等问题。为解决这些问题，在10 L、100 L发酵系统中，针对常用的流加式补料方式开发自动补料系统（见图3）。

通过选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标（如可以测量、控制发酵液pH，采用定量控制葡萄糖流加，稳定pH在代谢最旺盛水平），采用计量罐、流量计（电磁流量计、液体质量流量计）、蠕动泵、电磁阀和控制器来实现连续补料控制。补料时，输入补料率等相关参数进行数据处理，通过入料阀、计量罐、液位电极、出料阀等进行控制，实现连续流加补料过程。整个过程是在一个密闭环境中进行，避免发酵过程的杂菌污染，提高装罐系数，细胞质量可控，保持pH稳定，解除底物抑制、产物反馈抑制和分解阻遏（见图4）。

图5 净化水循环利用自动控制系统示意图

循环水利用自动控制系统的开发 发酵过程中微生物的生化反应要产生大量热量，这些热量必须及时被带出罐体，否则培养基温度升高，就会影响发酵最佳条件，引起微生物发酵中断［3］。另外，培养基经实罐灭菌和连续灭菌后温度较高，需要足够的冷却介质将热量带出罐体。发酵罐的冷却，主要是考虑微生物发酵过程的发酵热和机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量［4］。此外还要考虑发酵罐消毒的冷却或实消后的冷却时间。发酵罐灭菌冷却、温控均需水来完成，不仅造成大量水流失，而且长期用自来水冷却会产生大量水垢，对发酵设备、控制阀及管路均会产生危害。为节约用水、保护设备不受损坏，研发利用净化水循环利用自动控制系统（见图5）。

通过设计给水系统和回水系统的有效联动，实现发酵过程中灭菌冷却用水、控温用水的循环利用。

1）给水系统：采用设计密闭水位自动控制的1000 L纯净水的水箱，靠自然压力或水泵补充压力（控制水流量和压力），供给发酵灭菌后冷却水和对发酵过程中控温用水的供给。

2）回水系统：发酵罐夹套出水后，汇集到200 L带水位控制的水箱中；当水位达到一定时，水泵自动开启打到1000 L水箱中，实现纯净水的重复循环利用。

4 三级发酵罐的经济效益及推广应用

社会经济效益 在校内实训基地原有独立发酵设备基础上，通过软硬件改造，实现接种过程的自动控制，避免发酵过程染菌，大大降低发酵过程因污染造成的风险；开发流加自动补料系统，缩短发酵过程周期，提高单位发酵目的产物收率，节约发酵成本，缩短教学周期，增加受益学生人数；开发的水循环综合利用系统，使每学年发酵工程实践教学节约水量200吨左右，既避免了水源流失，又保护了设备不被腐蚀。

推广应用 实验中心三级发酵系统自开发应用以来，共开出综合性、创新性实验项目九项。其中，生物技术专业综合实验、生物科学专业实验两项，生物工程校内实训实验两项，研究创新实验四项，开放创新实验一项。共接纳1420多名本科生，年授课平均6500人学时左右。为高校教师培训和行业培训300多人；对外开放项目合作六项。目前，已与国内外800多所高校实验室学习交流，均对此系统在教学科研方面的不断改进与创新给予高度评价［5］。

5 展望

提高培养质量，强化实践育人，重视实践教学环节，是创新创业人才培养模式改革的核心内容［6］。发酵工程在国民经济发展中具有重要地位，发酵实践教学平台将为其进入工业生产与商业开发阶段培养大量具有实践能力的创新创业人才。发酵工程涉及生物学与多学科交叉研究，结果涉及多尺度参数，发酵过程中某一尺度上发生微扰，最终都会在宏观过程中有所反映。多尺度发酵过程优化放大方法，势必成为先进的“通用技术”。推进我国轻工与生物医药发酵工程产业化发展，应在多尺度参数相关分析的基础上，开展系统生物学与代谢网路构建，合成生物学在发酵工程中的应用。完善发酵实践教学平台，进一步提高实践教学质量，培养应用复合型人才，使人才培养与社会经济发展形成良性互动，是高校相关专业教师的责任与义务。■

［1］宫衡，陈长华，叶勤.发酵工程教学的改革与实践［J］.化工高等教育，2005，84（2）:36-38.

［2］刘艳，孟威，周毓麟.一种生物纤维素发酵系统：中国，201520108873.4［P］.2015.

［3］李友元，陈长华，宫衡.发酵工程实验教学改革探索与实践［J］.化工高等教育，2013，134（6）:27-30.

［4］张嗣良.发酵工程原理［M］.北京:高教出版社，2013.

［5］刘艳，闫国栋，孟威，等.创新创业教育与专业教育的深度融合［J］.中国大学教学，2014（11）:35-37.

［6］国务院.国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见.国办发〔2015〕36号.

Fermentation Practice Teaching Platform Construction

LIU Yan， MENG Wei， ZHOU Yulin， WANG Zhenzuo， WANG Di

Fermentation engineering is the core of the four modern biotechnology engineering， widely sets course in the teaching practice. However， there are still some problems in the experiment such as the fermented liquid tingible bacteria， which can not adjust to pH， tonifying qi and fertilizer supplies. Center Lab of General Biology of Jilin University according to the existing campus training base conditions has developed tertiary fermenter inoculation， and the water cycle use of automatic control system， receiving great social and economic benefits， along with wide application and promotion.

fermentation engineering； the practice teaching； vaccination； the loading

642.44

B

1671-489X（2015）24-0164-04

*项目来源：吉林省教育教学改革重点项目“发酵罐菌种和补料自动转移系统的开发”（基金编号：409020720008）。

作者：刘艳，吉林大学生命科学学院高级工程师，研究方向为实践教学与管理研究；王迪，通讯作者，吉林大学生命科学学院讲师，研究方向为发酵工程及药理学的教学与研究；孟威、周毓麟、王贞佐，吉林大学生命科学学院（130012）。