中国生物工程学会会刊     创刊于2005年

深入工业生物过程技术研究 夯实推进生物技术产业化发展

时间:2018-05-23来源:未知 作者:张嗣良 点击:

以发酵工程为代表的生物工程已有数千年的历 史,20 世纪初,丙酮丁醇和甘油的发酵法生产,以 及随后的青霉素的发现和大规模生产,推进了现代发 酵工业的快速发展。20 世纪70 年代,随着分子生物 学的发展,基因工程技术逐渐成为新产品开发的重要 手段,发酵产品也从传统的微生物制品拓展到基因工 程微生物、动植物细胞表达的生物大分子化合物。由 此形成了以细胞或其生命材料为基本手段进行产品生 产的工业生物过程技术体系,再结合后续工序,如分 离纯化、酶反应工程等形成产品生产产业链。其涉及 医药工业、轻工业、食品工业、化学工业、农林渔牧业、 环境保护,及冶金、能源等诸多领域,为人类社会带 来巨大的经济和社会效益。

为了高效地生产生物技术产品,生产过程工艺技 术的研究始终是主线。在早期,以形态学、细胞结构 与营养学为基本内容进行微生物生理学研究时,生产 工艺强调培养基配方以及温度、通气搅拌、pH 等操 作条件的控制。随着青霉素等抗生素的发现和大规模 生产,化学工程的混合传递以及反应动力学的概念, 将菌体作为黑箱系统,开展宏观动力学研究,以此来 指导生产工艺操作与反应器设计。

计算机控制技术的发展,对工业生物过程技术的 发展起到重要作用。随着一系列如耐高温pH 与溶氧 电极、尾气成分分析等传感技术的日趋成熟,结合计 算机控制软硬件技术,形成了目前已普遍使用的各种 生物过程自动控制系统,有的还进一步与生物反应器 装置结合形成了从实验室到工业生产的商品化装置。 强化生物过程的另一个重要内容是高性能细胞株 的获得以及对细胞内生物过程的理解。随着对生命科 学的深入认识,人们已将目标由依赖于传统的生物学 知识发展到以分子生物学研究为依据的生理特性研 究,后基因组的各种组学技术又将生物学带入了系统 科学的时代。工业生物过程技术面临的一个方面,如 何深入细胞内进行多组学研究,专辑中《基于系统生 物学的生物过程全局优化》对此进行了深入的解析, 而《生物过程代谢组学与代谢流测定》更以代谢物组 学为核心阐述了其在细胞应对基因或者外界环境扰动 时起到的重要作用。此外,流场特性变化(CFD)是 生物反应器重要的外界环境扰动特性,也专门作了讨 论。但是,另一个方面,高度分支的生命科学研究只 是解决了局部的或某一时段的科学问题,如何在细胞 内成千上万个基因、蛋白、代谢物、信号分子,以及 它们与反应器操作环境的纷繁关系中找到全局优化所 需要的状态变量或操作变量,就成为研究的主要科学 问题。专辑中《基于多尺度参数相关分析的细胞培养 过程优化与放大》就是在这种背景下提出的一种方法。

在当今大数据时代,上述多尺度方法强调以可视化 技术在实时有效时间内研究发酵过程趋势曲线的相关特 性,符合大数据分析的4V 特征与三个观念的转变,其 实就是沿着大数据思维方式的转变而发展。但是,相关 性研究基本上靠人工与专家经验来判断,而且,对于生 物工程产品生产而言,各种因素互相嵌套、动态影响, 用简单的单因子关系无法处理生产中的深层次或隐含的 问题,因而低效且缺乏进一步挖掘潜力的能力。为此进 一步提出了生物过程大数据处理的人工智能化问题,对 于基因、代谢、过程到生产的一大堆互不联系的实验或 生产数据孤岛,可通过知识获取、数据融合、计算与应 用,实现数据清洗、过滤、整合、增强、分析、知识获得, 并提出决策和建议。《生物过程大数据分析与智能化》 一文提出了智能化数据处理的目标、原理与方法。