发酵过程放大是生物产品大规模生产的关键技术之一。在大规模生物反应器的发酵过程中，许多重要发酵参数存在着空间的不均一性，即细胞在反应器内不同区域的生长微环境是不同的。因此，在发酵过程放大中，生物反应器结构与操作条件改变所造成的流场特性变化将导致菌体的生理特性发生变化；而菌体生理特性变化(如其形态和代谢的变化)又将引起发酵液流变特性的改变，从而影响生物反应器内流场特性。因此，本论文针对不同微生物发酵过程特点，以重组毕赤酵母发酵生产外源蛋白以及抗生素产品(灰黄霉素和林可霉素)发酵为对象，以代谢分析为工具，从参数相关与多参数调整、流场特性和菌体生理代谢的相互影响、放大与规模缩小，以及计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)模拟等方面进行了发酵过程的放大技术研究。具体结果如下： 1、针对不同的发酵过程编制了用于实时宏观代谢流监测的发酵罐数据检测与控制软件，并在实际运用中得到较好的验证，从而建立了发酵过程放大研究所必需的细胞代谢过程数据采集系统。 2、在重组毕赤酵母表达猪胰岛素前体(porcine insulin precursor，PIP)的发酵过程中，成功地将以菌体代谢分析为基础的多参数调整放大策略运用于50 L发酵罐到500 L中试发酵罐的放大。首先建立了毕赤酵母表达PIP发酵过程在甲醇诱导相的生长动力学模型，模型与试验数据吻合较好。同时，代谢流分析和关键酶活的测定实验表明：在甲醇诱导相不同比生长速率表达PIP时，磷酸戊糖途径代谢流流量增强、TCA循环用于生物合成代谢流的增大是外源蛋白产率增加的主要原因等。连续培养代谢流分析结果表明PIP生产和菌体生长是相关的。在50 L发酵罐培养过程中，通过调整生长阶段甘油补料速率来控制宏观生理参数呼吸商，可以提高甘油的细胞得率；在甲醇诱导相通过控制比生长速率可以使PIP产量达到0.976g/L。最后，在500 L中试发酵中，通过控制补料速率，保证限制因素溶氧浓度大于20％，PIP产量达到1.27g/L，从而实现了过程放大。 3、针对灰黄霉素发酵液为非牛顿流体特性，通过计算流体力学模拟，对其发酵放大过程中流场变化与菌体生理代谢特性之间的相关性进行了研究，使小试50 L发酵罐发酵过程成功放大到60 m3生产规模发酵罐。在50L发酵罐发酵过程中，首先比较了不同搅拌桨型组合对发酵的影响，并且采用pH预测的补料方式，使发酵单位提高了54.5％。与此同时，根据60 m3大罐灰黄霉素发酵过程中后期出现溶氧偏低导致灰黄霉素合成速率下降的现象，运用计算流体力学模拟和发酵液的稠度系数K与流动指数n测定结果，发现整个发酵过程在100 h左右流动指数最小，发酵液的非牛顿特性最强，此时60 m3大罐中流场出现了气含率、粘度、速度矢量分布不均匀，导致了气体分布不均一。因此，发酵后期溶氧水平下降是由于发酵液的流变特性变化引起流场发生变化，从而导致氧传递能力下降引起的。在以上实验与计算的基础上，运用计算流体力学工具对改善流场不均一性的方案进行了模拟计算和分析。结果发现，增大底层搅拌桨直径可以显著改善反应器流场的不均一性。这一结果在实际发酵过程中得到了验证，使放大后60 m3生产发酵罐的发酵水平基本达到小试的发酵水平。同时还发现了菌体生理代谢也会影响到发酵液流场的流变特性，提出了稠度系数K(Pa．sn)与菌浓Cm(％)、菌丝平均长度D(μm)的经验方程：K=(Cm2×(5.70x10-6·D-2.61×10-4)。 4、采用规模缩小(scale-down)技术和CFD模拟方法为发现和解决发酵放大过程的关键问题提供了一个有效的研究手段。 在林可霉素发酵中，首先利用50 L罐进行规模缩小实验，结果表明发酵罐供氧能力对林可霉素发酵水平有重要影响。然后经计算流体力学模拟60 m3发酵罐流场表明，60 m3大罐供氧不足的主要原因是底层搅拌桨径向作用能力较弱，没有起到分散气体的作用。为此，提出了将底层搅拌由六箭叶换为六平叶来增强底部径向混合能力的改进方案。在50 L小罐验证实验表明，底层采用六平叶的搅拌桨型后，提高了反应器供氧能力，菌丝形态明显改善，平均放罐效价提高了43.2％。基于50L罐规模缩小结果，将60m3生产大罐底层搅拌由三箭叶改为六箭叶，同时还采用少量多次的补料方式以减少pH的波动，在160 h生产大罐的发酵水平提高了28.7％。因此，通过加强底部搅拌能力来提高供氧能力以及平稳的发酵操作，基本实现了林可霉素的发酵过程放大。