融合科技与传统，引领发酵工艺新时代

融合科技与传统，引领发酵工艺新时代

       本期为您推荐中国科学院天津工业生物技术研究所智能生物制造平台夏建业老师发表在生物工程学报上面的一篇综述：“人工智能时代发酵优化与放大技术的机遇与挑战”。文章描述了合成生物时代对发酵优化技术的挑战，结合人工智能在新时代的发展，对未来工业发酵优化技术的场景以及未来发酵技术对人才培养等提出的新要求进行了展望。

       生物制造是利用生物体机能进行物质加工与合成的绿色生产方式，而发酵优化与放大技术是生物制造技术中决定实验室创新成果向产业化转化能否成功的关键一环。自2015年起，国务院发布《中国制造 2025》、《“十四五”智能制造发展规划》、《“十四五”生物经济发展规划》等相关文件，对企业实现数字化，自动化，智能化以及构建绿色低碳循环经济体系，推动生物经济实现高质量发展具有十分重要的意义。

       我国传统发酵产业历史悠久，高性能的菌株和发酵工艺优化是推动其进步的基础。近年来高速发展的合成生物学技术使得高性能菌株的获得速度越来越快，与之相比，繁琐的工艺优化过程却始终是产业化的重要制约因素。如图1所示，反应器中进行的发酵过程涉及人为操作的操作参数(operation variables)、反应器层面的状态参数(state variables)以及细胞层面的生理特性参数(physiological variables)。然而由于发酵过程中存在复杂的物理化学过程，很难准确地获取这些参数之间的定量关系。因此如何通过相关技术手段将培养环境与菌体代谢特性的关系摸索清楚始终是发酵产业备受关注的问题。

       传感技术是发酵过程优化中必不可少的关键技术，可以实时监测反应器中的生化反应情况，判断代谢是否正常（如发酵尾气分析技术和在线光谱检测技术）是。而微型反应器系统则是发酵过程优化中另一个关键技术。近年来利用人工智能技术和海量发酵过程数据开发出的微型平行反应器系统极大的提高了菌种验证和工艺开发的工业化进程。

       Biofoundry平台等高通量自动化装备能实现每天千万株筛选水平，但配套的自动化发酵培养装备相对滞后。尽管国外相关公司在微型化、自动化、集群化方向上取得了一定进展，但高昂的售价和一次性反应器的成本限制了其在发酵工业中的广泛应用。国内方面，天木生物科技有限公司等一批高科技公司也始终在不断探索出路，其开发的在线自动取样装置在国内多家科研院所、生产企业获得成功应用。

       装备技术的飞速发展，正推动传统发酵过程朝向生物制造的大数据时代发展，数据量的激增提升人们对发酵过程认识水平的同时也为高效数据

处理提出了新的挑战。如何将配套的数据可视化以及基于人工智能技术的发酵过程自动化是行业发展的大势所趋，也将为传统发酵技术带来颠覆性的推动力。

图1 发酵过程中操作参数、状态参数及菌体生理特性参数之间的关系示意图

图2 多源异质数据融合对接技术框架

文献网址：DOI: 10.13345/j.cjb.220606