项目总结报告-终稿

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目中期总结报告项目名称：工业生物技术的过程科学基础研究项目编号：2007CB714300中华人民共和国科学技术部制2008年12月20日一、项目组织落实情况1、项目的总体思路和框架、主要研究内容和目标（1）项目总体思路和框架过程工程科学问题是我国生物技术产业化的关键。本项目将以可再生生物质为原料进行大规模生物转化合成大宗化学品为主线，研究从细胞群出发放大到工业化生产的工业生物过程基础科学。工业生物过程与传统化工过程的根本区别，在于工业微生物细胞具有生理活性及代谢的多样性。因此工业生物反应过程面向的是复杂、多相的生物转化体系，工业生物分离过程面向的是组份多、结构类似物多的生物分离与纯化体系。为此，本项目将从细胞群体、单元过程和系统优化三个层次进行工业生物过程的深入研究。第一层次主要关注细胞群的群体效应现象、多相复杂生物体系的生化、生理特性分析及物质和能量传递规律，以及过程放大的基本原理和策略研究，着重进行新现象、新规律和新机理的发现和认识；第二层次主要进行基于生物生理特性和物质传递特性的直接放大、生物/化学方法级联的系统优化以及多产物联产目标的全局调控研究，着重进行反应器直接放大、生物/化学方法级联、多目标联产以及反应/分离单元耦合等新技术和新方法的创新研究；最终通过生物发酵过程和生物分离过程的集成优化，实现整个工业生物过程的系统集成与全局优化。（2）主要研究内容①大规模细胞群体行为及过程放大原理“细胞群体效应”是指大规模培养细胞作为一个群体，细胞与细胞之间以及细胞与环境之间存在信息交流，来感知和理解周围环境的变化，同时调整自身的生理行为和产物合成特性。采用现代化学分子结构分析与鉴定方法以及工业生物技术，选择常见的工业模式微生物，进行细胞群体效应产生与调控的基本规律研究。对具有细胞间信号转导功能的化学分子进行结构与功能鉴定和定量分析；了解细菌群体效应的临界阈值变化特性，掌握细胞群体行为从协同生长转向胁迫抑制的临界变化规律，揭示高密度培养过程中细胞群的群体行为和生产特性调控的关键要素；考察不同物理和化学环境条件下细胞群体效应与环境变化的互作关系；研究高密度/高粘度培养过程中物质和能量的传递特性与流场特性对细胞群体效应产生、细胞群体行为变化及目标产物生成的影响；研究大型生物反应器宏观操作参数对细胞群体效应的反馈控制方法，揭示大规模细胞培养过程中出现“放大效应”的分子机制及过程控制原理。1②多相生化特性分析及生物过程模型化采用现代测试技术，对搅拌式和气升式环流生物反应器内气－液－固三相复杂生物反应体系的微观瞬态流动、传热传质及其生物反应特性进行研究，考察反应器型式、操作条件、体系物性等对多相复杂生物反应体系传递特性及生物转化规律的影响，揭示多相复杂生物体系传递特性的动态变化规律。运用模型化研究方法，从微观、瞬态角度对生物反应器内流动、传递与反应特性进行科学、定量、理性的分析与设计。基于动量、质量及能量输运方程、本征生化反应动力学方程及大量实测数据，构建能够描述细胞群体效应的三维反应器模型，实现多相生物反应器动态反应过程模拟及优化设计，特别是高粘度、高密度体系中大型机械搅拌桨的流场计算，模拟预测操作条件、体系物性和反应器几何尺寸对复杂生物反应过程中的流动和质量、能量传递以及生化反应特性的影响，为新型高效生物反应器的设计与放大、强化能量输入、传递性能以及反应性能方法的研究和技术发展提供理论指导和依据。针对生物分离体系，通过计算机分子模拟，进行新型分离介质的分子设计。通过主客体分子间作用形式和配合物构像变化的数学描述，揭示新型分离介质分子对目标分子进行识别的机理，从而指导具有高吸附、高选择性的吸附介质的设计与应用。进一步针对离子交换吸附、膜分离等典型的分离过程单元，进行系统的模型化研究，如多组份复杂生物体系吸附分离动力学模型和选择性透过膜分离机理模型的建立等，从而为生物分离过程单元放大的设计奠定基础。③生化反应过程放大原理与方法提出基于细胞生理特性的工业生物反应过程放大的原理与方法。针对特定的生化反应过程，研究放大过程中细胞群体的生理特性和外界环境的相互关系，重点研究不同规模的发酵罐搅拌器形式、转速等对生理特性的影响，进而进行大规模培养发酵罐搅拌器形式、转速等生物反应过程的分析、设计与放大研究。在此基础上，针对不同反应器型式内多相生物反应过程中相间传递行为的复杂性、细胞群生长的生命周期多样性及复杂生物反应，提出基于生物生理特性和传递特性的直接放大新方法，并结合丁醇、1，3丙二醇、丙烯酸等生物产品大规模发酵过程，进行基于细胞生理特性与反应器流场特性相结合的生物反应过程的直接放大设计，突破传统“实验室－小试－中试－工业”逐级放大的思路与方法，实现工业发酵与分离过程的定量设计与直接放大，大大缩短放大周期，提高放大成功率。④生物/化学方法级联设计与调控面向工业生物过程的资源利用最大化及环境污染最小化目标，将专一性强的生物转化方法与反应快速的化学催化方法进行整体级联设计与调控研究。探索级联反应在工业生物过程中的催化转化新规律，实现级联反应对天然可再生资源的2专一性利用、反应起始的促进、反应进程的加速、以及反应产品的纯度、分子量及其它性能强化的新功能。进一步面向工业生物过程的多产物联产目标，对细胞群进行全局转录调控研究，实现多维目标产物的优化合成以及微生物细胞群对有机溶剂、酸、碱、表面活性剂等苛刻环境的耐受性的全面强化。根据物质和能量守恒原理，研究多目标产物生物转化过程中碳源和氮源物质流、能量流以及氧化还原辅因子等在多目标产物分支合成途径上的竞争利用和再生循环机制，实现最佳优化匹配，最终实现工业生物过程从底物到多产物合成的高效清洁生产。⑤工业生物过程单元耦合与集成典型的工业生物过程通常涉及手性物（如L-乳酸和D-乳酸）、结构类似物（如1，3丙二醇和1，2丙二醇）等的分离纯化。以乳酸、1,3丙二醇、丁醇等发酵过程为研究对象，研究不同相界面和不同尺度生物产物的积累、反应和传递行为，实现多步分离工序的集成。首先，探索新型分离介质的设计与制备；设计新型适合于生化手性异构体、同系物及结构类似物分离的高效介质；研究分离放大过程中非均相再分配等问题对分离机制的影响。进一步构建集成化分离新系统；分析多个子系统之间相互适配与协同作用机制；研究新型扩张床集成技术和结晶/过滤/干燥一体化技术，阐明物质流和能量流的传递机理和规律。实现多种分离流程分布的合理布局。最后，进行反应/分离耦合过程的设计与构建；进行有机醇、有机酸等发酵过程与膜分离、膨胀床吸附等高效分离过程的耦合设计与调控；分析反应/分离耦合过程对物质流和能量流传递及转化效率的促进作用机制及其对代谢功能的调节作用和产品质量的影响；实现发酵过程与分离过程的耦合调控。⑥工业生物过程的系统控制与优化把体现生物过程特性（如细胞的生长代谢特性、发酵液的氧传递特性、细胞本身的微观结构和传递性质、高密度和高粘度特性等）与优化控制原理和方法（如自适应控制理论、代谢网络模型、人工智能模型、粒子群和蚂蚁群优化算法等）相结合，并考虑微生物反应培养环境、微生物反应动力学、代谢通量分析（MFA）、微生物代谢调控、辅因子调控和目标代谢产物的代谢途径及分支途径最优配比等，在典型生物过程（如1,3-丙二醇、丙酮酸等的微生物发酵过程）中，研究生物过程的优化控制方法。研究系统工程优化方法（如动态规划法、模糊多目标遗传算法等）在典型生物过程（1,3-丙二醇、乳酸、丁醇、丙烯酸）中的应用，以“原料－转化－分离－废物资源化利用”的一体化为优化主导思想，研究原料利用、转化反应、产物分离和废物资源化的相互作用和影响，考虑碳源和氮源的转化、废渣废水的综合利用、物质流和能量流在工业生物过程中的合理分配等；研究将上游生物转化与下游产物分离有机结合的优化策略；研究废物流分流处理和综合利用；研究体现工业生物过程特征的系统综合优化方法。通过优先优化与整体优3化相统一、局部优化与全局优化相结合、目标产物和副产物相互调控等研究策略，研究代谢副产物的高效综合利用以及两个或多个生物过程相匹配的优化技术。（3）研究目标实现工业生物过程关键科学问题的重大突破，揭示生物加工过程的能量和物质传递规律，系统地优化调控机制，实质性地提高生物加工过程的创新能力，重组优化重要产品的代谢途径，形成细胞工厂模型，奠定平台化合物高效生物合成的基础，促进重大先进生物加工技术的形成。为我国的新型工业化道路做出积极的贡献。①突破生物加工过程规模化的关键科学问题，包括生物加工过程中的细胞群体效应，细胞群体和环境之间的自适应原理、能量和物质传递规律，建立新的生物加工过程单元分析方法，在线分析技术，CFD流体传质和传热研究方法，新的单元耦合规律，为进一步优化奠定基础。②研究生物/化学过程级联和集成优化的新方法，包括基于分子设计的生物分离新方法、新介质和过程的集成，如反应和分离技术的集成，分离和分离过程的集成等。形成一批拥有自主知识产权的核心技术和方法。③奠定先进生物加工过程技术的基础：在典型的生物过程技术如乙醇、乳酸、1，3丙二醇、丙烯酸等大宗化学品的生物合成生产中，通过过程优化和集成、多产物的联产等，能量消耗降低20％以上，原料转化率提高20％以上，三废总量减少50％以上，生产生物化学品、生物材料及生物能源的基础研究方面达到国际先进水平。④发表论文400篇以上(SCI200篇),影响因子5的文章3-5篇。申请发明专利40-50项(国际专利6-10项)。⑤培养40-50名博士研究生，200名左右硕士研究生，形成一支在国际工业生物过程领域得到同行认可、在国际工业生物过程领域产生重要影响研究团队。2、课题设置的思路，课题之间的相互关系（1）课题设置思路围绕工业生物过程中生物质高效转化与系统优化的关键科学问题，以对国民经济具有重要影响的大宗生物化学品为研究对象，以工业生物过程中的发现认识创新为主线，从细胞群体效应及过程放大原理生化、生理特性分析生化过程放大原理生物/化学耦联调控生物反应/分离单元集成原理系统控制与优化等角度分段设置6个研究课题：课题1．大规模培养细胞群体效应课题2．多相生化特性分析及生物过程模型化4课题3．生化反应过程放大原理与方法课题4．生物/化学方法耦联设计与调控课题5．工业生物过程单元耦合与集成课题6．工业生物过程的系统控制与优化（2）课题之间的相互关系各课题相互之间的关系及课题与所需解决科学问题之间的关系如图1所示。各课题通过解决的科学问题实现有机关联，各课题的研究组成了项目研究的循环网络，通过实现各自课题的目标及其关联来实现总体项目目标。其中，课题1为其它课题提供基本原理，课题2和课题3为其它课题提供研究模型和放大方法，课题1-3中产生的理论知识在课题4-6中实现整合。原理生物过程单元耦合与过程优化原理科学问题之一科学问题之三细胞群体效应及过程放大原理方法和技术过程和优化课题1：大规模培养细胞群体效应课题2：多相生化特性分析及生物过程模型化课题3：生化反应过程放大原理与方法课题4：生物/化学方法级联设计与调控课题5：工业生物过程单元耦合与集成工业生物过程的工程科学问题课题6：工业生物过程系统控制与优化科学问题之二多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律图1.各课题相互关系及各课题对解决科学问题的贡献3、研究队伍的组织与落实情况本项目组织了国内微生物学、生物化工、发酵工程等工业生物技术领域的主要优势单位：北京化工大学、清华大学、中科院过程所、天津大学、华东理工大学、江南大学等。集中了工业生物过程领域具有丰富研究经验和研究成就5的一批学者，专业涉及生物化工、化学工程、发酵工程、分子生物学、生物分离工程、微生物学、生物反应工程、生物化学等，各单位人员在研究过程中密切合作，实现了优势互补。主要参加人员共49人。其中国家杰出青年基金获得者5人，长江学者1人，中科院百人计划4人,全国百篇优秀论文获得者3人及提名1人。正高级研究人员29人,包括：谭天伟（教授）、苏志国（研究员）、元英进（教授）、程易（教授）、陈坚（教授）、庄英萍（教授）、华兆哲（教授