发酵工程：撑起生物技术产品半壁江山

        记者：胡唯元

        课题描述：发酵工程关键技术研究与重大产品开发

        点评专家：张嗣良（华东理工大学教授）

　　1940年冬，浙江黄岩。一位妇女抱着新生婴儿坐在阴暗、潮湿的防空洞中。洞外，绘着太阳旗标志的轰炸机在空中盘旋，刹那间，扔下的炸弹在地面爆炸……

　　这位新生婴儿长大后，上述场景被一遍一遍的讲述，也被母亲一遍一遍叮咛：要学好知识，报效国家。

　　当年的新生婴儿，就是“十五”科技攻关项目“发酵工程关键技术研究与重大产品开发”项目负责人、华东理工大学教授张嗣良。

　　“六五”至“十五”攻关期间，张嗣良和他的课题组在青霉素、红霉素、金霉素等产品发酵上取得重大突破，对相关产业做出重要贡献。张嗣良3次获得国家科技进步二等奖（均排名第一）。

　　过程优化：从发酵“动力学”到“工程学”

　　医疗中所用的青霉素、红霉素等药物及日常生活中的味精等食品均由微生物发酵、在几十吨规模发酵罐内生产出的，这被称为“发酵工业”。此外，随着基因工程技术的发展，通过发酵培养基因工程菌，能得到所需要的高附加值产品。据统计，利用细胞大规模发酵生产的产品已占生物技术产品的40%%以上，可以说，发酵工程撑起了生物技术产品的半壁江山。

　　不过，目前，工业发酵面临一个重要的生产问题：在不同的操作条件下，相同的投料量会得到完全不同的产量；在完全相同的操作条件下，把投料从小罐放大到生产罐，产量就有数倍之差。这就牵涉到所谓发酵过程优化与放大问题，其长期困惑着发酵工作者。

　　解决上述问题，很多研究人员往往把注意力主要放在菌种的筛选与改良以及基因工程构建上，但却忽视发酵过程中工程问题所引起的发酵工艺优化问题。而课题组提出发酵过程工程问题的重要性，并提出了关于这一问题的观点和理论以及解决问题的方法。该项成果获得了2002年国家科技进步二等奖。

　　“通过大量的实验研究，我们认为造成发酵过程优化与放大问题的一个重要原因是，长期研究发酵过程的基本方法是采用以动力学为基础、以最佳工艺控制点为依据的静态操作方法。”张嗣良说。

　　例如，用氨水调节pH时，关心的是最佳pH值，却不注意氨水加量的动态变化及其与其他发酵过程参数的关系。在溶解氧浓度（DO）测量与控制时，关心的是最佳DO值或其临界值，而不注意细胞代谢时的摄氧率（OUR），以及由此所引起的一系列参数相关特性。

　　“这种方法用在以活细胞代谢为主体的发酵过程优化与放大时就有很大的局限性。”张嗣良说。

　　针对上述情况，课题组提出了以细胞代谢流分析与控制为核心的发酵工程学观点。具体包括四项基本内容。首先，微生物发酵在生物反应器中所发生的反应是在分子尺度的遗传特性、细胞尺度的代谢调节和工程水平的传递特性三个尺度上发生的。其次，必须高度重视细胞代谢流分布变化的有关现象特征的获得。第三，重视细胞代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性。第四，采用非模型的处理方法，重视发酵过程参数趋势曲线相关的研究方法，即所谓数据驱动型的方法。

　　在以上四项结论的基础上，课题组提出了优化技术和发酵过程多参数调整的放大技术，对不同规模生物反应器试验装置进行专门设计研究，并对不同发酵产品进行实验研究，取得显著成果。专家点评：

　　本项目所取得的成果可广泛应用在医药、食品、轻工、农业、环保，甚至冶金、石油等行业。对提高我国发酵行业整体水平，增加企业市场竞争能力，缩短国际差距起重要作用。

　　此外，在人类基因组测序完成后，随着功能基因的不断发现，利用基因转移的细胞进行大规模生产将是主要手段，这些细胞包括微生物、动植物细胞、藻类等。发酵过程优化技术对当前生物技术产业以及今后的潜在发展都具有重要经济和社会意义。

　　工艺优化：鸟苷发酵企业起死回生

　　除了在医疗领域的应用外，工业发酵技术还广泛用于人们的日常生活。

　　呈味核苷酸二钠“I+G”，这个名词尽管非常拗口，但却与我们的日常生活密切相关：它是继味精之后广泛应用于方便面、鲜味剂等的新一代食品增鲜剂，由于其增加鲜度效果好（比味精高100倍以上），在人们日常生活中具有广泛的应用。

　　“I+G”产品有一个非常关键的原材料：鸟苷。我国鸟苷发酵水平低，这严重影响了I+G产业的形成，10多年来此产品的市场一直被日本等国家垄断控制。

　　这几年，鸟苷国际市场价急速下降到原来的1/3，而我国生产的鸟苷又缺乏市场竞争力，我国的新一代食品增鲜剂与核苷酸工业面临窒息性的打击。

　　“长期以来，鸟苷发酵用的是传统方法。上世纪60至70年代，我国对鸟苷菌种采用常规的诱变育种筛选方法。80年代后，采用基因工程改造方法，生产水平有较大的提高，但还停留在25克/升的水平。要想在发酵过程调控优化上有所突破，迫切需要一种新的理论和方法。”张嗣良说。

　　课题组以鸟苷发酵过程优化及鸟苷磷酸化技术改造为主要目标，开展有关技术研究，在呈味核苷酸二钠规模生产上取得重大突破。

　　课题组以微生物过程多尺度理论为指导，提出跨尺度测量与控制的方法，把菌种、发酵和发酵罐装备技术研究有机地联系起来。通过对代谢过程的酶学和计量化学的代谢流计算研究，发现菌体细胞主流代谢流迁移是过程优化的关键；把鸟苷生产的关键基因进行测序和基因比较，发现了高产菌株对应的SAMP酶的基因发生移码突变等，这为鸟苷发酵过程的基因工程改造提供了重要线索。

　　在上述基因比较研究和代谢网络迁移研究基础上，课题组提出了鸟苷发酵工艺优化新思路，实现了碳源流加技术、A因子添加与pH控制相结合的工艺路线。使得鸟苷产率达到国际先进水平，在日、韩价格竞争压力下，濒临停产的工厂因此恢复生产。专家点评：

　　微生物过程的多尺度理论具有创新性和基础平台性，推进了生物化工学科的发展。研究结果对生物过程的中、下游技术发展具有重要的理论指导意义。本项目技术是生物技术产业化的关键技术，涉及到医药工业、轻工业、食品工业、化学工业、农林渔牧业、环境保护、冶金、能源等许多领域。

　　乌苷发酵所取得的成功还给了我们另一个启示，在生理学和分子生物学研究中我们已发现了大量的生理调控机制，但是由单一生理调控机制出发做出的研究往往缺乏全局性的概念，只揭示了生理调控的局部和某一时段的特点，难于对整个过程控制和优化起决定性作用。由此，以发酵过程基因、蛋白、代谢等综合研究为特点的系统生物学研究很重要，这为今后我们发酵过程优化的研究提出方向。   (责任编辑：泉水)

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