本期為您推薦中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所智能生物制造平臺夏建業(yè)老師發(fā)表在生物工程學(xué)報上面的一篇綜述：“人工智能時代發(fā)酵優(yōu)化與放大技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)"。文章描述了合成生物時代對發(fā)酵優(yōu)化技術(shù)的挑戰(zhàn)，結(jié)合人工智能在新時代的發(fā)展，對未來工業(yè)發(fā)酵優(yōu)化技術(shù)的場景以及未來發(fā)酵技術(shù)對人才培養(yǎng)等提出的新要求進(jìn)行了展望。
生物制造是利用生物體機能進(jìn)行物質(zhì)加工與合成的綠色生產(chǎn)方式，而發(fā)酵優(yōu)化與放大技術(shù)是生物制造技術(shù)中決定實驗室創(chuàng)新成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化能否成功的關(guān)鍵一環(huán)。自2015年起，國務(wù)院發(fā)布《中國制造 2025》、《“十四五"智能制造發(fā)展規(guī)劃》、《“十四五"生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》等相關(guān)文件，對企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化，自動化，智能化以及構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，推動生物經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的意義。
我國傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)歷史悠久，高性能的菌株和發(fā)酵工藝優(yōu)化是推動其進(jìn)步的基礎(chǔ)。近年來高速發(fā)展的合成生物學(xué)技術(shù)使得高性能菌株的獲得速度越來越快，與之相比，繁瑣的工藝優(yōu)化過程卻始終是產(chǎn)業(yè)化的重要制約因素。如圖1所示，反應(yīng)器中進(jìn)行的發(fā)酵過程涉及人為操作的操作參數(shù)(operation variables)、反應(yīng)器層面的狀態(tài)參數(shù)(state variables)以及細(xì)胞層面的生理特性參數(shù)(physiological variables)。然而由于發(fā)酵過程中存在復(fù)雜的物理化學(xué)過程，很難準(zhǔn)確地獲取這些參數(shù)之間的定量關(guān)系。因此如何通過相關(guān)技術(shù)手段將培養(yǎng)環(huán)境與菌體代謝特性的關(guān)系摸索清楚始終是發(fā)酵產(chǎn)業(yè)備受關(guān)注的問題。
傳感技術(shù)是發(fā)酵過程優(yōu)化中的關(guān)鍵技術(shù)，可以實時監(jiān)測反應(yīng)器中的生化反應(yīng)情況，判斷代謝是否正常（如發(fā)酵尾氣分析技術(shù)和在線光譜檢測技術(shù)）。而微型反應(yīng)器系統(tǒng)則是發(fā)酵過程優(yōu)化中另一個關(guān)鍵技術(shù)。近年來利用人工智能技術(shù)和海量發(fā)酵過程數(shù)據(jù)開發(fā)出的微型平行反應(yīng)器系統(tǒng)極大的提高了菌種驗證和工藝開發(fā)的工業(yè)化進(jìn)程。
Biofoundry平臺等高通量自動化裝備能實現(xiàn)每天千萬株篩選水平，但配套的自動化發(fā)酵培養(yǎng)裝備相對滯后。盡管國外相關(guān)公司在微型化、自動化、集群化方向上取得了一定進(jìn)展，但高昂的售價和一次性反應(yīng)器的成本限制了其在發(fā)酵工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。國內(nèi)方面，天木生物科技有限公司等一批高科技公司也始終在不斷探索出路，其開發(fā)的在線自動取樣裝置在國內(nèi)多家科研院所、生產(chǎn)企業(yè)獲得成功應(yīng)用。
裝備技術(shù)的飛速發(fā)展，正推動傳統(tǒng)發(fā)酵過程朝向生物制造的大數(shù)據(jù)時代發(fā)展，數(shù)據(jù)量的激增提升人們對發(fā)酵過程認(rèn)識水平的同時也為高效數(shù)據(jù)處理提出了新的挑戰(zhàn)。如何將配套的數(shù)據(jù)可視化以及基于人工智能技術(shù)的發(fā)酵過程自動化是行業(yè)發(fā)展的大勢所趨，也將為傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)帶來推動力。
圖1 發(fā)酵過程中操作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)及菌體生理特性參數(shù)之間的關(guān)系示意圖
圖2 多源異質(zhì)數(shù)據(jù)融合對接技術(shù)框架
文獻(xiàn)：DOI: 10.13345/j.cjb.220606
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