ContiDesigner：通过连续发酵级联系统级设计实现生物过程强化

多级连续生物加工能够提高体积生产率、运行一致性和过程通量，但其设计因稀释速率、反应器体积、进料分配与细胞生理之间的耦合而变得复杂。在此，我们提出 ContiDesigner（可访问 https://chemnettools.anc.univie.ac.at/ContiDesigner），这是一个用于连续发酵级联系统级设计的机理性稳态框架和交互式网络工具。通过在总反应器体积和出口流量相同的条件下比较单级与两级构型，ContiDesigner 揭示了内部流量和反应器体积分配如何塑造时空产率，并识别出使生产率最大的操作条件。 与单级过程相比，两级级联有利于采用更低的总体稀释速率，从而保留生产阶段的停留时间。第一阶段的稀释速率接近对应单级过程的生产率最优值，但级联的最优点出现得更早，这反映了生物量生成与生产阶段停留时间之间的系统层面折中。然而，只有当第二阶段中非生长相关产物形成足够强时，两级操作才优于优化后的单级操作；而生长耦合的增强则更有利于单级操作。 两个案例研究展示了过程强化的潜力与局限。预测表明，与已发表的实验性五级级联相比，优化的两级设计可使聚-R-3-羟基丁酸酯（PHB）生产的时空产率提高超过 1.5 倍；而乳酸案例研究则识别出分级操作不具优势的条件。ContiDesigner 将这些设计原则转化为一种易于使用的工作流程，用于探索可行操作区域，并为实验评估确定级联设计的优先顺序。

多级连续生物过程能够提高体积生产率、操作一致性和过程通量，但其设计因稀释率、反应器体积、进料分配与细胞生理之间的耦合而变得复杂。在此，我们提出了 ContiDesigner（访问地址：https://chemnettools.anc.univie.ac.at/ContiDesigner），这是一个用于连续发酵级联系统级设计的机理性稳态框架和交互式网络工具。通过在总反应器体积和出口流量相同的条件下比较单级与两级构型，ContiDesigner 揭示了内部流量和反应器体积分配如何影响时空收率，并识别出使生产率最大的操作条件。与单级过程相比，两级级联更倾向于采用较低的总体稀释率，从而保留生产阶段中的停留时间。第一阶段的稀释率接近相应单级过程的生产率最优值，但级联的最优点出现得更早，这反映了生物量生成与生产阶段停留时间之间的系统层面折衷。然而，仅当第二阶段中非生长偶联型生产足够强时，两级操作才优于优化后的单级操作；相反，随着生长偶联性的增强，单级操作更具优势。两个案例研究展示了过程强化的潜力与局限。对于聚-R-3-羟基丁酸酯（PHB）生产，预测表明，经优化的两级设计与已发表的实验性五级级联相比，可实现超过 1.5 倍的时空收率提升；而乳酸案例研究则识别出分级操作并无优势的条件。ContiDesigner 将这些设计原理转化为一种易于使用的工作流程，用于探索可行操作区域，并为实验评估优先筛选级联设计。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.08.743657v1?rss=1

🏷️ 连续发酵 生物过程强化 级联系统设计 稳态建模 时空产率 PHB生产