1、發(fā)展大規(guī)模細胞培養(yǎng)及其生物反應器 

    借助于細胞培養(yǎng)進行各種產品生產已是我國生物技術產業(yè)化的重要組成部分，涉及醫(yī)藥、化工、輕工、食品、農業(yè)、海洋、環(huán)保等行業(yè)。培養(yǎng)的細胞不僅只是微生物，用于生物技術產品生產的動物細胞、植物細胞和藻類細胞大規(guī)模培養(yǎng)已引起了大家重視，顯露出令人鼓舞的前景。而且隨著生物技術的發(fā)展，在人類今后發(fā)現(xiàn)的一切具有生物活性的物質都可以借助于細胞培養(yǎng)方法得到。它們可以是細胞代謝產物、生物轉化、酶或某基因表達產物。 

    此外，隨著人類社會經濟發(fā)展，如果沒有基于科技進步的大力開發(fā)，能源和資源將難以支撐人類社會進一步發(fā)展的目標，人類社會的發(fā)展必須將基于碳氫化合物的經濟轉變?yōu)榛谔妓衔锏慕洕?。這種能源結構和資源結構的轉變將直接關系到我國經濟的可持續(xù)發(fā)展，社會的穩(wěn)定、和國家安全。解決上述問題的最有效方法就是發(fā)展工業(yè)微生物，只有工業(yè)微生物才能將來源于太陽能的可再生資源碳水化合物轉變?yōu)楝F(xiàn)代社會所需要的化工原料和能源。 

    顯而易見，要進行這些產品的生產，無不涉及到細胞代謝與大規(guī)模培養(yǎng)研究。為了提高生產水平，除了獲得高生產能力的細胞株外，生物反應器是重要的核心技術，必需提供有利于生物過程研究的裝置技術和高效節(jié)能的生產裝置。但是在生物技術產業(yè)化平臺中，細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術等中下游技術是我國最薄弱的技術環(huán)節(jié)之一，以我國生物醫(yī)藥等領域產業(yè)化來說，與先進國家的差距是全面的。滯后的一個重要原因之一就是缺乏相配套工藝的工業(yè)化放大技術研究和相應的裝備技術支撐。例如以哺乳類細胞培養(yǎng)技術來看，西方國家基因工程抗體的開發(fā)已經進入大規(guī)模細胞反應階段，細胞工程研究規(guī)模已經達到1000L以上，基因工程抗體的生產反應系統(tǒng)最大規(guī)模達到20000L以上。相形之下，我國多數(shù)藥物開發(fā)單位的細胞反應規(guī)模仍停留在2-30L規(guī)模，100L的培養(yǎng)技術還不穩(wěn)定，長期以來都是照抄照搬國外的技術和進口國外設備。國內只能生產一些低檔裝置,  僅靠科研成果模仿和基礎科學的跟隨。 

    與其他各行業(yè)的裝備制造業(yè)一樣，生物反應器為生物技術產業(yè)再生產和擴大再生產提供共性技術和關鍵技術，它的發(fā)展水平也反映了國家在科學技術、工藝設計、材料、加工制造等方面的綜合配套能力。裝備制造業(yè)和商品化的迫切性可以歸納為如下幾點： 

     每年有大量的從搖瓶到不同大小的實驗室生物反應器

    進行生物技術的實驗室研究或中試放大的項目，這些項目有的已購買設備，但需要維修，有的則需新添有關裝置。 

    每年有相當數(shù)量的生物技術工程項目投入，需要大量的用于生產的生物反應器，傳統(tǒng)生物技術的生物反應器一般體積較大（幾十M3到上百M3），而現(xiàn)代生物技術所需的反應器裝置體積較小，但技術要求高。 

    隨著不同產品過程優(yōu)化與放大技術研究的進展，迫切需要新設計原理的生物反應器發(fā)揮作用。由此，必需有不斷更新技術的生物反應裝置推向市場，或者對現(xiàn)有生物反應器生產裝置進行新技術改造，這也是包括制藥、食品、輕工在內的傳統(tǒng)產業(yè)現(xiàn)代生物技術改造的主要內容之一。 

    隨著生物技術的發(fā)展，需要性能更高的生物反應器，例如哺乳類動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)是當前高附加值的糖基化活性蛋白醫(yī)藥產品的發(fā)展趨勢，如何開發(fā)適應動物細胞特殊需要的生物反應器并商品化就成為迫切需要解決的問題。 

    生物反應器產業(yè)是集中各種高技術含量的機電一體化產品，不能簡單的認為是一種機械加工與儀表的結合。隨著計算機軟硬件技術進展、以及傳感技術、化學工程的流型研究技術及其他元器件等技術進步，最后通過生物反應器技術設計實現(xiàn)更新?lián)Q代，才能形成對生物技術產業(yè)化的貢獻。 

    由此可見，建設一個有多種技術支撐的，與生物技術產業(yè)化研究密切關聯(lián)的商品化生物反應器生產，形成生物技術產業(yè)的支撐體系和產業(yè)鏈己經是我國發(fā)展生物技術產業(yè)必不可少的重要措施。 

    2、生物反應器產業(yè)的產品特點 

    (1)  產值不大作用大 

    生物反應器產業(yè)本身很難有每年達數(shù)十億元的產值，但其在生物技術產業(yè)鏈中卻起著再生產和擴大再生產的作用，達上百億元以上。有時一個新的生物反應器技術的應用和推廣，就可能促進某一生物技術產品的產業(yè)化形成，提高生產能力，或降低生產成本，可節(jié)約能耗達數(shù)十億元之巨。       

    (2) 產品多樣性 

    目前用于生產的細胞和生物材料有微生物、動植物細胞、藻類、各種酶類等。不同細胞或酶有不同特點，因而有不同生物反應器設計要求。 

    生物反應器種類有氣升式反應器和機械攪拌反應器；常規(guī)反應器和光生物反應器；好氧和厭氧反應器；液體深層培養(yǎng)反應器和固體發(fā)酵反應器；根據不同機械結構劃分的反應器；不同控制原理劃分的反應器等。此外，生物反應的規(guī)模也可由幾十毫升到上百M3不等。 

    由此可見，很難規(guī)定幾個通用產品進行大批量生產，大多數(shù)用戶根據自己的研究或生產特點，提出不同的定貨要求，反應器研制廠家必需有足夠的技術力量和經驗進行非定型化設計，以滿足用戶要求。 

    (3)  生物過程優(yōu)化與放大技術 

    具有先進的生物過程優(yōu)化和放大能力是生物反應器設計的核心技術。由于在生物反應器中所發(fā)生的反應是在分子水平的遺傳特性、細胞水平的代謝調節(jié)和反應器工程水平的混和傳遞等多尺度（水平）上發(fā)生的。因此，如何利用生物反應器中的多參數(shù)檢測技術和在線計算機控制與數(shù)據處理技術，把細胞在反應器中各種表型數(shù)據與代謝調控有關的基因結構研究關聯(lián)起來，是反應器過程優(yōu)化與放大的重要內容，也是當前國內外競相發(fā)展的具有原創(chuàng)性的知識產權技術，對促進生物技術產業(yè)化發(fā)展具有重要意義。由此可見，提供包含以上功能并具有自主知識產權的商品化生物反應器應是我國生物反應器產業(yè)的重點之一。 

    (4) 生物技術發(fā)展要求性能更高的生物反應器 

    為了適應各種生物技術的實驗室成果向產業(yè)化轉化的需要，對生物反應器的性能要求愈來愈高，目前主要表現(xiàn)為： 

    用于基因工程高密度高表達，符合GMP標準的生物反應器以及一些新技術的應用等。其中關于供氧問題，快速升溫、SIP自動滅菌、CIP自動清洗、機械密封、排氣處理、取樣處理等問題以及培養(yǎng)液成份的流動注射分析（FIA）分析等都需很好解決。 

    哺乳類動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)是當前生產高附加值的糖基化活性蛋白醫(yī)藥產品的重要發(fā)展趨勢。根據動物細胞無細胞壁，對剪切極端敏感，在細胞生長控制上，要防止細胞分化和細胞凋亡，有時還要考慮對產品糖基化質量的要求。所以反應器要具備低剪切效應，混合性能好等特點，要提供細胞形態(tài)在線觀察和活細胞數(shù)量的傳感技術，嚴格控制反應器的操作條件以及有關防污染的灌注系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)等都需要研究解決。 

    用于細胞過程生理特性和過程傳遞特性研究的生物反應器研制，其中主要解決用于過程分析的各種傳感器選型研制和數(shù)據處理軟件包的研制。特別是近年來隨著微生物基因組測序和系統(tǒng)生物學研究工作的深入展開，發(fā)酵過程檢測與控測已經從基于參數(shù)傳感技術的反饋控制發(fā)展為以信息處理為基礎的生物過程檢測與分析。各種譜分析與生物反應器實驗數(shù)據關聯(lián)起來，提供各種表型數(shù)據具有重要意義。因而對反應器設計提出了新的要求。 

    隨著生物技術在各領域的推廣應用，用于海洋藻類、微生物肥料、微生態(tài)飼料、環(huán)境污染處理等大規(guī)模細胞培養(yǎng)需要高強度低造價的生物反應器。特別是近年來利用生物質生產燃料乙醇等能源物質的戰(zhàn)略部署，需要應用大型高效節(jié)能生物反應器降低生產成本。 

    (5)   產品型號更新?lián)Q代與部件技術研究 

    生物反應器是多專業(yè)技術發(fā)展的綜合體，由于反應器零部件技術的進步，必須及時更新產品設計，為用戶提供性能更好且價格合理的反應器產品。這些零部件技術包括計算機軟硬件技術、各種傳感技術、反應器流型設計，新機械結構和材料等等。此外，隨著信息處理技術的發(fā)展，如何實現(xiàn)大批量數(shù)據處理、貯存與通信，把生物信息學與過程信息結合起來實現(xiàn)復雜生物系統(tǒng)的分析與控制，也以軟件包的形式逐漸從實驗室研究走向商品化。 

    (6)  產品生產的標準化、規(guī)范化       

    作為商品化裝置的市場化，建立生物反應器生產標準，實施IS09001管理是發(fā)展生物反應器產業(yè)的重要內容，只有這樣才能提供合符用戶要求及質量穩(wěn)定的產品。主要內容有： 

    產品裝置成套加工的工藝技術路線的確定與質量控制研究。在生物反應器制造過程中，如材料、焊接、表面處理、零部件機加工、外購件、易耗品…、直到安裝流程工藝、器材倉庫管理…等都要嚴格實施質量檢驗； 

    原材料、半成品、成品標準等的確立與實施。如有關傳感器及一些如空氣過濾器、閥件、質量流量計等關鍵部件的測試標準的建立與研究，整機性能測試標準的建立與研究； 

    產品質量過程控制程序的確立與實施等；整機性能測試標準的建立與研究。 

     (7) 高品質的售后技術支持 

      由于生物反應器中的反應是在基因、細胞和反應器工程水平上多尺度發(fā)生的，因而真正利用生物反應器實現(xiàn)過程優(yōu)化是有難度的，從理論到實踐的提高，并進一步在生物技術產品生產中發(fā)揮作用，需要有一個過程，應該把售前宣傳和售后服務等與整體應用技術提高結合起來才能取得好的效果。 

    3、我國發(fā)展生物反應器產業(yè)的現(xiàn)狀和今后發(fā)展 

    3.1  現(xiàn)狀 

    我國生物反應器的研究一直受到國家有關部門的重視，在國家攻關“七五”、“八五”期間先后立題，并集中國內有關單位攻關，解決了在生物反應器研制中的幾個關鍵技術問題，并形成了早期產品。但由于計劃經濟時代國家攻關計劃與產品開發(fā)脫節(jié)，再由于當時國內配套基礎差，以及各種體制和觀念上的問題，嚴重影響產品質量，故長期來未能在我國形成規(guī)模化的產業(yè)。我國商品化生物反應器的市場相當大的一部分被幾家國外公司占領。主要有德國B.Braun、美國NBS、瑞士Bio  Engineering、日本丸菱以及韓國等，占據了我國市場的70%左右以上。 

    近年來，國內有關生物反應器產業(yè)發(fā)展較快，有關產品生產的公司企業(yè)已達十多家，在這些公司的努力下，一改過去基本由國外產品統(tǒng)治國內市場的局面，特別在低端產品上已基本由國內控制。但是這些公司大都主要從事中低檔產品生產，企業(yè)技術力量以仿制為主，著重于以降低生產成本為目標的零部件替換研究，雖然產品的標準有所下降，但也能滿足一般用戶的需要，特別對生物技術產業(yè)剛起步的或優(yōu)化放大要求不高的企業(yè)或教學單位，低價的產品己可以適應他們的要求。但是對一些性能要求高的商品化生物反應器，如SIP自動滅菌與CIP清洗的全自動生物反應器、生物反應器的自動取樣與分析系統(tǒng)等，一些重要器件如耐高溫滅菌的隔膜閥的抗疲勞、抗澎脹性以及器件加工工藝與標準都有差距，特別是一些符合GMP要求的高端生物技術產品所需的裝備或成套設備主要還是由國外公司提供。由于這些國內公司缺乏生物過程技術的研究力量以及工藝、工程、裝備一體化的研究體系，因而不能隨著生物技術發(fā)展有同步生物反應器的開發(fā)能力，例如對于大規(guī)模動物細胞生物反應器，至今國內還沒有符合要求的定型產品推出。此外，對與生物技術深度結合的高度自動化的實驗室裝置缺乏試制能力，因而只能是簡單的外型仿制和跟蹤，缺乏創(chuàng)新的自主知識產權產品。 

    由此可見，面臨著生物技術的深入發(fā)展，如何解決提高生產能力為目標的行業(yè)技術改造，以及加入WTO后和國外高檔產品的市場競爭，我們必須大力開發(fā)具有自主知識產權的性能優(yōu)越的反應器技術并商品化，以適應推動生物技術產業(yè)化的進一步發(fā)展需要。 

    3.2國內生物反應器設計與制造發(fā)展趨勢 

    3.2.1以代謝流分析為核心的生物反應器 

長期來發(fā)酵過程優(yōu)化與放大所依據的基本思想和方法是采用經典動力學為基礎的最佳工藝控制點為依據的靜態(tài)操作方法，實質上這只是化學工程宏觀動力學概念在發(fā)酵工程上的延伸。例如，用氨水調節(jié)pH時，關心的是最佳pH值，卻不注意氨水加量的動態(tài)變化及其與其他參數(shù)的關系。在溶解氧濃度（DO）測量與控制時，關心的是最佳DO值或臨界值，不注意細胞代謝時的耗氧率。顯而易見，用在以活細胞代謝為主體的發(fā)酵過程就有很大的局限性，應該重視細胞代謝流的存在。 

    作者在研究了生物反應器中的細胞過程特點后，提出了細胞過程的多尺度問題研究[      ]，認為活細胞為主體的細胞大規(guī)模培養(yǎng)的生物反應過程，可以分為基因分子尺度、細胞尺度與生物反應器尺度的網絡結構，是不同尺度的網絡狀態(tài)的輸入輸出關系，存在著信息流、物質流與能量流。發(fā)酵過程優(yōu)化不能只是從單一尺度（基因、細胞、生物反應器）上去解決，要注意他們之間的關系和瓶頸問題，其中跨尺度觀察與控制是微生物過程優(yōu)化的關鍵，由此形成了一套基于參數(shù)相關的發(fā)酵過程多水平問題研究的優(yōu)化技術和發(fā)酵過程多參數(shù)調整的放大技術。 

    隨著過程傳感技術和計算機技術的發(fā)展，國家生化工程技術研究中心（上海）設計了一種用于生物過程多尺度研究的新概念發(fā)酵裝置（已由上海國強生化工程裝備有限公司組織生產，定型為FUS-50L（A））[  ]，該裝置以生物反應器中物料流檢測的觀點，具有十四個以上在線參數(shù)檢測或控制，并集中力量開發(fā)了一個適應多種反應器特點，融合多種過程理論和控制理論，便于發(fā)酵過程工藝分析和優(yōu)化操作的軟件包。在鳥苷發(fā)酵過程中，從反應器測量參數(shù)上發(fā)現(xiàn)了細胞代謝流遷移，由此實現(xiàn)了過程優(yōu)化[  ]。該產品先后成功地在青霉素、紅霉素、飼料金霉素、鏈霉素、黃霉素、泰樂霉素、棒酸、鳥苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因工程瘧疾疫苗、基因工程植酸酶、胰島素原（PIP）、基因工程必特螺旋霉素等多種產品上發(fā)酵優(yōu)化應用取得了大幅提高發(fā)酵單位能力，其優(yōu)化結果一般可由幾十升發(fā)酵罐直接放大到上百立方的工業(yè)生產發(fā)酵罐。 

    3.2.2動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應器研制 

    由于細菌等原核細胞表達系統(tǒng)在轉錄及修飾方面的缺陷，許多重要價值的蛋白質，特別是基因工程藥物、疫苗、抗體等糖基化的需要，使哺乳類動物細胞表達系統(tǒng)成了一個更合適的工具，因此，哺乳類動物細胞表達系統(tǒng)引起了大家重視。以哺乳動物大規(guī)模培養(yǎng)技術為基礎的生物制藥產業(yè)在美國等西方國家得到了迅速發(fā)展，數(shù)十種產品已進入市場，取得了巨大的經濟和社會效益。 

    國外用于生產的動物細胞生物反應器已趨于大型化（最大到噸級規(guī)模）、多參數(shù)與高度自動化的計算機控制系統(tǒng)、以及適應動物細胞對大型環(huán)境因子高敏感性的反應器精巧設計制造，并形成商品化供應用戶。我國自“七五”至“八五”攻關期間立題開展有關動物細胞生物反應器研究，取得了較大進展，但哺乳類細胞培養(yǎng)技術要求高，技術壁壘大，有關公司在未能掌握核心技術的情況下，單憑模擬很難開展工作?？贵w等其他細胞表達產品，裝藥量大，我國科研單位已經掌握的早期生物藥開發(fā)技術很難應用到新型藥物生產工藝上，需要重新摸索；由于細胞株等上游配套技術的落后、反應器研制技術的差距、以及有關缺乏生化工程的研究等原因，因而缺乏必要的條件去掌握高表達細胞株構建和大規(guī)模細胞培養(yǎng)技術，難以突破技術瓶頸，我國有關動物細胞生物反應器產業(yè)仍近乎空白。 

    由于動物細胞無細胞壁，對營養(yǎng)要求嚴格，因此細胞是否附著于固體或半固體表面生長（貼壁培養(yǎng)）、培養(yǎng)基中血清的使用、抑制因子的積聚度、滲透壓等等問題一直是動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)的關鍵技術。此外，動物細胞對pH、溶氧、溫度、剪切應力、抗污染等環(huán)境因子的高敏感性，實現(xiàn)動物細胞生化反應器的大型化、自動化和精巧化也成為大家關注的問題。 

    從當前發(fā)展趨勢來看，懸浮細胞、無血清培養(yǎng)，是目前世界范圍內各大生物公司產業(yè)化生產的發(fā)展方向。懸浮細胞、無血清培養(yǎng)在規(guī)?；a提高單位產量、細胞的高密度培養(yǎng)、高密度表達、簡化生產工藝、降低生產成本、保證大規(guī)模生產的產品質量等方面，都起到非常重要的作用。是高度生產化的最有效的途徑。是目前世界各大生物公司競相開發(fā)的前沿課題。也是美國FDA要求各生物公司建立的規(guī)?；a技術平臺。 

    從反應器類型來看，早期動物細胞反應器較多采用貼壁培養(yǎng)反應器，其中微載體的使用可使貼壁細胞的培養(yǎng)像懸浮培養(yǎng)那樣進行，但近年來特別是血液、淋巴組織、許多腫瘤細胞（包括雜交瘤），以及一些其他轉化細胞系都采用懸浮培養(yǎng)反應器，形成各種類型，其中推廣較多的有美國NBS公司的填充床生物反應器，但大多只能在實驗室規(guī)模應用，一些適合于生產規(guī)模的更新類型的懸浮培養(yǎng)反應器也正在開發(fā)，如瑞典的BIO公司和德國的B.Braun公司。 

    此外，從代謝流分析來看，動物細胞對營養(yǎng)的嚴格要求都是與胞內代謝有關，不同途徑消耗的各種營養(yǎng)物的比例實質上是細胞代謝狀態(tài)遷移的結果，特別是近年來細胞代謝工程的研究，有關代謝流的分布，基因水平和細胞水平的代謝調控研究文獻大量報導。因此，以過程代謝物質流檢測為目標研究動物細胞生物反應器的多參數(shù)傳感技術，通過計算機的數(shù)據采集系統(tǒng)，實現(xiàn)過程參數(shù)相關的優(yōu)化技術研究，有可能取得過程優(yōu)化技術的重大突破。 

    我國有關商品化大規(guī)模動物細胞反應器產品還處于空白，必需迅速組織力量發(fā)展?？梢允紫葘τ趧游锛毎磻鞯年P鍵技術的有關部件和材料研制出發(fā)，加強裝備制造工藝研究力量，然后結合動物細胞過程工藝特性，形成裝備設計與工藝要求的統(tǒng)一。此外，在研制過程中要注意及時吸收最新的各領域技術進步，如計算機軟硬件技術、新材料技術和生物技術等，形成具有自主知識產權的裝備產品。 

    3.2.3帶pH測量與補料控制的搖床  ──  搖床應用技術的發(fā)展     

    20世紀三十年代搖床問世以來，搖床就作為生物反應過程中必備的一種專用設備，用于微生物、動植物細胞菌種篩選、種子擴大培養(yǎng)等。由于搖床設備的特點，不能實時測量培養(yǎng)過程中的有關參數(shù)以及過程補料控制，因此長期以來一直以搖床的放瓶結果作為實驗數(shù)據。當用來作為諸如菌種生理特性變化、培養(yǎng)基成分的作用以及溫度、pH等環(huán)境條件變化等研究的依據時,  實際上是一種缺乏過程研究的靜態(tài)分析方法。這種方法的局限性是很顯然的，例如以這種方法作為菌種選育后技術時，傳統(tǒng)搖瓶篩選方法往往缺乏補料或供氧不足，并不一定處于代謝流分配最合理的狀態(tài)，由此將出現(xiàn)嚴重的高產菌株漏篩現(xiàn)象。因此，國內外有關公司己注意開發(fā)帶pH測量的搖床，并形成產品。 

    如上海國強生化工程裝備有限公司開發(fā)的系列搖床，就是根據菌種在FUS-50L（A）進行發(fā)酵操作時，可以很明顯地觀察到過程pH值與其他參數(shù)變化（如菌體生長、OUR、CER、RQ、各種補料操作…等）的相關性，這種隨不同發(fā)酵時間的相關性變化可以反映菌體生理狀態(tài)的變化，對發(fā)酵過程優(yōu)化與放大研究具有極重要的意義。與過去把發(fā)酵pH值作為最佳條件的概念不同，可以通過該裝置pH檢測功能，根據發(fā)酵過程參數(shù)相關的原理觀察到菌體生理特性的變化。帶pH測量的搖床既克服搖瓶中多參數(shù)測量的困難，又不失為代謝流分析的基本原理。為了進一步實現(xiàn)對培養(yǎng)過程的控制，還精心設計用于搖瓶的微量補料技術，實現(xiàn)各種碳氮源的流加、pH控制或微量元素控制等。把pH實時測量與流加技術相結合，對實現(xiàn)以代謝流為核心的動態(tài)研究具有重要意義。 

    由于搖瓶的多瓶以及不同工藝的組合對照操作，可以大大縮短研究進度。由此可見，帶pH測量與補料控制的搖床實質上不僅只是一個簡易型生物反應器，而且特別適合于各種微生物和基因工程菌的菌種篩選和培養(yǎng)的早期大批量工作，高通量篩選能力明顯優(yōu)于常規(guī)的搖床和生物反應器。其裝備制造的難點就是研制穩(wěn)定的pH測量裝置和精細的補料系統(tǒng)。由于耐高壓滅菌鍋的高溫滅菌以及搖床振蕩時的高阻抗輸入特性的抗干擾要求，pH電極裝置及導線儀表系統(tǒng)必需作精細設計；補料系統(tǒng)必需微量、有效、并可人工任意程序設定。 

    3.2.4生物反應器中試系統(tǒng)設計 

    對于生產量大的傳統(tǒng)生物技術產品，為了對已經通過前期研究（實驗室研究和市場分析）的產品進行過程優(yōu)化研究，在中試規(guī)模上達到高生產水平或質量，并進而為車間生產提供工藝放大依據和設備設計依據，必要時還可進行小批量生產，提供應用試驗樣品、或供市場銷售的部分產品。為此，近年來許多有關發(fā)酵產品生產的企業(yè)迫切需要建立一個多功能的中試發(fā)酵車間。 

    隨著以"多尺度"觀點的發(fā)酵研究技術的發(fā)展，中試車間的有關裝備的軟硬件技術和研究方法以上述內容為核心進行建設，以便有效地解決發(fā)酵過程的優(yōu)化與放大問題?？紤]到裝置系統(tǒng)的通用性以及為生產用罐的設計提供數(shù)據，其中一些關鍵設計參數(shù)如攪拌功率及攪拌槳型式、發(fā)酵熱及高效傳熱裝置設計、通氣流量設計等必需有足夠的調節(jié)余量或選擇。此外，參數(shù)檢測必需配置較完整傳感（約14個參數(shù)以上）與數(shù)據處理系統(tǒng)，發(fā)酵罐結構與制造技術（如罐體材料、焊接、拋光、夾套結構與制造、攪拌裝置制造技術等）應先進，為今后的發(fā)酵過程優(yōu)化與放大設計提供重要的工程設計數(shù)據。 

    在中試系統(tǒng)中，一個重要的設計目標就是生物反應器群控技術的過程控制與數(shù)據處理，這不是通常意義的下位計算機所能實現(xiàn)的。因此，如何根據不同情況選用計算機系統(tǒng)就成為一個重要問題。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，在生物反應器系統(tǒng)中可以選用的計算機系統(tǒng)有單片計算機、PLC、工業(yè)控制計算機、現(xiàn)場總線計算機控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)等，其中現(xiàn)場總線系統(tǒng)與大容量計算機相結合可以很好地適應發(fā)酵中試系統(tǒng)的控制與數(shù)據處理要求。可以采用將智能嵌入式計算機系列的智能模塊技術、高性能網絡通信技術、信息處理技術、綜合自動化控制技術與生物反應控制有機結合。設計成每個罐使用一塊現(xiàn)場總線模塊獨立控制，各個罐相互獨立，用分散的虛擬控制站取代了集中的控制站，增加了系統(tǒng)的可靠性。同時多個罐的控制回路用以太網連到一個IPC組成的操作站，組成小型的局域網。采用常規(guī)控制系統(tǒng)軟件包對所有發(fā)酵罐進行控制，具有高安全性和連續(xù)操作的特點。又以上位計算機進行數(shù)據通訊的集中顯示系統(tǒng)，具有貯存量大、數(shù)據處理使用方便和直觀的人機界面特點。 

    3.2.5大型生物反應器設計與制造技術研究 

    幾十年來隨著發(fā)酵工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)酵工程趨向設備大型化、高效和自動化。以傳統(tǒng)生物技術產品來說，一些氨基酸、抗生素或發(fā)酵輕化工產品都在幾十到幾百M3以上發(fā)展，一些原來是小規(guī)模發(fā)酵罐的老廠搬遷新廠區(qū)，發(fā)酵罐的規(guī)模也普遍要求放大。基因工程產品一般附加值高，不需要大型生物反應器，但近年來隨著基因工程酶生產技術的發(fā)展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于飼料添加劑的需求量大，用于基因工程高密度高表達的大型生物反應器研制已勢在必行。特別是今后隨著礦物質能源的耗竭，利用生物質生產燃料乙醇等已提到重要戰(zhàn)略議事日程，高效節(jié)能的大型發(fā)酵裝置的應用是降低生產成本的不可缺少的關鍵技術，如美國、巴西等國家已達2000M3以上發(fā)酵裝置。 

    大型裝置的利用也帶來新的技術問題。目前國內發(fā)酵過程工業(yè)放大主要是根據經驗放大，例如單位體積功率相等、單位體積通氣比相同或選用相同的攪拌槳型式等，實際情況很難把握。后來又引進了化學工程的冷態(tài)試驗方法，對罐內流型進行了充分研究，最后根據這些混和傳遞特點，進行大型生物反應器設計，但實際情況有時偏差也很大。 

    發(fā)酵過程放大困難的原因就在放大時不可能同時做到幾何相似、流體運動學相似和流體動力學相似，當在小試研究時某一個對生產產生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個因素恰恰在放大時成為關鍵因子時，就會造成整個發(fā)酵過程的失敗。為此，我們在發(fā)酵過程放大研究時，提出了在以代謝流分析與控制為核心的發(fā)酵實驗裝置上進行研究，由此可得到用于過程放大的狀態(tài)參數(shù)或生理參數(shù)，只要我們在放大的設備上得到完全相同的反映代謝流等生理數(shù)據變化曲線，就可以較好地克服上述放大過程中的問題，因而提出了發(fā)酵過程參數(shù)調整的放大技術。 

    但是以上工作還只是生理代謝參數(shù)相似的放大原則，并不能代表大型發(fā)酵罐的幾何結構和動力結構等可設計參數(shù)的確定，也就是說在放大規(guī)模的狀態(tài)參數(shù)轉化為操作或設計參數(shù)又有一個研究過程，需要在積累性的工作基礎上提升到理論和方法。例如根據OUR、KLa以及所選用的攪拌槳特性測算不同發(fā)酵罐規(guī)模所需的攪拌功率研究；根據OUR與菌體細胞剪切適應量選擇不同規(guī)模發(fā)酵罐的攪拌器形式、轉速或其他結構的研究；攪拌器的混和與剪切特性的冷態(tài)研究，計算流體力學的應用研究；大型發(fā)酵罐高功率攪拌器的加工與動平衡研究，以及傳動裝置技術和整體罐結構設計研究；根據耗氧率進行發(fā)熱量估計及傳熱面積的研究：不同傳熱結構（夾套、蛇管、半圓管和激光焊接膨脹型蜂窩夾套）的傳熱效果、強度、無菌性能研究和造價；放大效應的計算機控制補償?shù)脑O計研究以及具有補償控制能力的計算機數(shù)據采集與控制系統(tǒng)；以及上述研究的數(shù)據庫建立與推廣應用。 

    因此，如何在放大的罐體上實現(xiàn)達到相同代謝流參數(shù)的目標的設計，需要從生物學、化學工程、機械制造、傳感技術到計算機控制技術的協(xié)同努力。 

    4.  后語  ──  細胞過程的系統(tǒng)生物學研究與生物反應器 

    長期來以微生物等為代表的過程研究，是基于經典的以動力學為基礎的工程學概念和經典的以化學計量學和熱力學研統(tǒng)為基礎的生物學概念。隨著過程工程技術和生物技術的進展，對過程系統(tǒng)的認識由宏觀到微觀，由還原論到綜合論，必需引入現(xiàn)代的工程學和生物學基礎，特別是在深入開展微生物過程研究中如何整體性看待遺傳和生理就成為過程優(yōu)化與放大的重要問題。在現(xiàn)有的生物反應過程研究中往往是先進行遺傳育種，然后進行發(fā)酵條件優(yōu)化，在過程中忽略遺傳和蛋白信息流的改變，也就是說把菌種改造的基因特性與發(fā)酵過程優(yōu)化研究分割開來。在研究過程中，我們還經常發(fā)現(xiàn)由單一生理調控機制出發(fā)做出的解釋往往缺乏全局性的概念，只揭示了生理調控的局部和某一時段的特點，因此難于對整個過程控制和優(yōu)化起決定性作用。 

    以上情況，實際上提出了發(fā)酵過程系統(tǒng)生物學研究的重要性問題。系統(tǒng)生物學不同于以往的僅關心個別的基因和蛋白質的實驗生物學，它要研究所有的基因、蛋白質以及組分間的所有相互關系。顯然，系統(tǒng)生物學是以整體性研究為特征的一種大科學。工業(yè)微生物過程的系統(tǒng)生物學研究的主要內容是：把生物反應器體系作為相對封閉的生態(tài)系統(tǒng)，用系統(tǒng)生物學的方法來研究微生物內在的生理活動、微生物之間的相互作用、微生物與外在環(huán)境相互作用關系。這種全域性研究可以發(fā)掘微生物生物合成調控基因，為代謝工程改造菌種、重構微生物基因組及表達調控系統(tǒng)提供理論基礎；發(fā)掘發(fā)酵過程參數(shù)優(yōu)化的分子機制，為進一步優(yōu)化發(fā)酵過程參數(shù)提供理性依據。 

    在研究方法上，我們強調宏觀的差異分析法。這種研究方法以系統(tǒng)生物學為背景，直接把代謝產物或途徑與轉錄譜相關聯(lián)建立高通量篩選平臺，有可能產生跳越式而不是遞增式改良，并且把菌種改良與發(fā)酵過程開發(fā)統(tǒng)一起來，提供的研究基礎還可以用于其他工業(yè)生產菌株，可以加快菌種高效篩選與過程開發(fā)。 

    以上研究理論的深入和技術方法的進步，必定反映在生物反應器結構與功能的變化，特別是提出了從基于參數(shù)傳感技術的反饋控制發(fā)展為以信息處理為基礎的生物過程檢測與分析[  ]。提供了大量的過程檢測數(shù)據，但不是pH和DO電極那樣只是提供了一個單變量的方法，而是以各種譜分析為主要內容的可以同時測量很多變量的多變量方法。這些譜分析有各種質譜儀(MS)，其中包括用于發(fā)酵尾氣成分分析的氣體質譜儀和測定各種微生物系統(tǒng)的有機物的熱裂解質譜儀(PyMS)；各種紅外譜分祈(IR)，某中包括用于營養(yǎng)成分消耗和產物形成的的近紅外(NIR)以及在紅外指紋區(qū)應用的中紅外(MIR)；用于生物細胞或生物有機物分析的拉曼振動譜(Raman  spectroscopy)；研究生物系統(tǒng)電極極化性能的非線性雙電極譜的雙電報系統(tǒng)(Dielectric  spectro.)  。  對這些譜圖測量所得到的海量數(shù)據，在數(shù)據處理時必需有功能強而粗獷的高維快速分析功能，可以采用多元化學計量學方法。 

    此外，有關工業(yè)微生物過程的系統(tǒng)生物學的研究方法，在轉錄水平上可采用基因芯片分析轉錄組，在翻譯水平上采用2D電泳、時間飛行質譜分析蛋白質組，在調控網絡上采用染色體免疫沉降方法分析所有的轉錄調控位點等。由此可見，用于生命科學測定技術與分析儀器所得到信息已開始作為重要的發(fā)酵過程檢測參數(shù)，如何解決生物過程的信息處理以及與控制系統(tǒng)之間的關系就成為一個值得關注的問題。