华东理工大学生物工程学院的办学历史可追溯到1955年国内最早成立的抗生素制造工学专业，是我国长期从事生物制药的药厂建设工艺设计、生物反应器装备以及产品分离纯化生产工艺研究和教学的重要力量。学院成立至今，累计为国家培养出杨胜利院士、李永舫院士、刘昌胜院士为代表的9000多位具有扎实工程学基础和生物学基础、注重实践和创新能力的优秀人才，建设了微生物发酵、动(植)物细胞大规模培养、酶工程、分离工程与海洋生化工程等一批优势学科和特色专业，并于1991年获批全国第一个生物化工博士点，1995年建成生物反应器工程国家重点实验室，1996年成立国家生化工程技术研究中心(上海)，2015年又获批全国首个生物工程一级学科博士点，在2016年国家生物类重点实验室的评估中，生物反应器工程国家重点实验室获评优秀。
在我国生物产业高速发展的今天，制药、食品等领域对创新生物工艺、设备的市场需求与日俱增。近日，仪器信息网来到了华东理工大学的生物反应器工程国家重点实验室，采访了华东理工大学生物工程学院庄英萍教授和郭美锦教授，对发酵工程在国民经济中发挥的重要作用，以及该国家重点实验室的工作职能、仪器配置等方面进行了深入了解。
华东理工大学生物工程学院院长庄英萍教授
庄英萍研究员，现任华东理工大学生物工程学院院长，国家生化工程技术研究中心(上海)主任，上海生物制造产业技术研究院副院长，国家 “863”生物和医药领域工业生物技术主题专家。近年来承担了多项国家级科研项目 “973”课题、上海市重大项目的负责人;获得国家科技进步二等奖奖三项、上海市科技进步一等奖四项;发表论文160余篇，SCI收录100余篇，获授权专利35项。
华东理工大学生物工程学院郭美锦教授(右)与研究生
郭美锦教授，主持负责多项国家“863”、“973”研究课题。主要从事工业微生物发酵与过程控制技术研究，以及动物细胞(干细胞)大规模培养与抗体、疫苗的表达技术研究与开发。研究成果获得国家科技进步二等奖两项、省部级奖两项。发表SCI论文40余篇，授权专利8项。
发酵工程与国民经济息息相关
发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物(主要是微生物)和活性离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品。人们熟知的利用粮食在酵母菌发酵下生产各类酒、酒精，利用乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等药物都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产更多类别产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。例如，用基因工程方法有目的地改造原有的微生物并且提高其产量;利用微生物发酵生产各种蛋白药物的药品，如人胰岛素、干扰素和生长激素等。
据庄英萍教授介绍，目前全球传统的生物发酵研究与产业主要集中在中国，生物发酵对于国民经济十分重要，其应用主要涉及到医药卫生、食品加工、环保、化工、农业、能源与土壤治理等方面，与人民的生活息息相关。但目前传统发酵工程中遇到的问题是效率还不够高、能耗还比较大，目前产物产量最高只能做到每升克级的级别，所以在这些方面还有很大的进步空间。绿色生物制造已经成为未来社会发展的必然趋势，如提高微生物发酵效率、利用细胞培养等技术获取抗体、疫苗等生物制剂是我国在生物制药领域重要的发展内涵。
工欲善其事，必先利其器
所谓“工欲善其事，必先利其器”，仪器设备是科学技术发展的重要支撑。作为拥有价值过亿仪器设备的国家重点实验室，是怎样进行仪器平台建设的呢?
据悉，该国家重点实验室仪器平台建设目前还是以高端进口的分析类仪器为主，包括流式细胞仪、DNA测序仪、生物显微镜、液质、气质、红外、核磁等大型分析仪器设备。郭美锦教授表示，实验室目前侧重于工业规模的放大反应研究，用以工业发酵的大中型仪器设备有：净化工作台(用于接种)、摇床(用于菌种的培养筛选)、离心机、分离纯化设备、膜过滤技术设备以及大中型生物反应器等。
庄英萍教授说，生物反应器工程国家重点实验室的职能一方面是进行构建高效菌种，并进行过程优化研究;另一方面则是直接在工业规模实现优化与放大策略(可实现100-300吨规模)，即先在实验室50L的反应器上进行小试优化，而后直接放大到百吨级规模进行生产，这是课题组最主要的工作。仪器信息网编辑在两位教授的带领下参观了实验室自主研发设计、自主生产的各类生物反应器及产品，实现微生物细胞生理代谢特性参数的在线检测是该实验室反应器的特色之一，实验室自主开发或应用各种在线传感器，并且应用到发酵罐和摇床中，可以对发酵过程进行中间代谢物的实时检测。
实验室自主研发生产的小、中、大型反应器设备
产品成果展示(葡萄糖酸钠、纤维素乳酸、头孢菌素C、纤维素乙醇与红霉素)
将科研成果产业化是实验室长期的工作目标。实验室已累计获得四次国家科技进步二等奖，四次次上海市科技进步一等奖，并已获授权多项发明技术专利。庄英萍和郭美锦一致认为，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室最大的特色在于过程工程研究方面，目的是为了研制出适合细胞、微生物生长的反应器。
“作为生物发酵前期重要的步骤，菌种的培养与筛选优化尤为关键，高效完成前期工作可以与后期工业化实验操作进行更好地对接。”庄英萍介绍说。那么菌种的高效培养与筛选过程面临哪些问题呢?需要用到怎样的技术手段或科学仪器来保证实验的顺利进行呢?
庄英萍指出：“在微生物发酵过程中，摇床是很重要的仪器。我们实验室研究开发了在线OD值检测系统，将过程工程应用理念运用到仪器中，与智城合作开发了相应的摇床设备，而这种精确控制过程的摇床非常适合菌种的筛选工作。”
上海智城ZWYC-290B细胞生长智能检测振荡反应器
郭美锦表示，市面上的摇床大多功能简单，在实验过程中需人工多次取样测试，费时费力。课题组在十几年前就针对这一问题申请了发明专利，并且基于该专利与上海智城合作推出了ZWYF-290B型细胞生长智能检测振荡反应器(摇床)。随后他的研究生介绍了日常实验中这台反应器对他的帮助，“这台摇床配备了在线OD值检测系统，可以实时观察菌群的生长曲线，能够节省大量时间，操作简便。”郭教授进一步解释道，菌种的筛选过程中要进行扩增培养，期间不仅要关注化学参数，还要检测微生物、细胞的生理代谢特征等参数。这款摇床的在线检测OD值功能可以避免间隔取样测试的繁琐操作与引入杂菌的可能，从而保证菌种的高纯度。另外，该摇床可以同时在线检测16组样品的OD值，提高实验效率。
上海智城精准pH自控脉冲补料振荡反应器
随后郭老师又介绍了实验室另一款仪器——上海智城ZWYF-290A型精准pH自控脉冲补料振荡反应器，该仪器是一款具有自主知识产权的创新产品。郭老师表示这台仪器在实验室工作期间运行十分平稳且具备灵敏度高、精确度高的特点，对于微生物反应体系的pH值控制可精确到0.05，对于监控微生物反应过程中的菌种本身浓度与代谢产物浓度非常便捷有效。该产品将“pH在线精准检测技术”和“微量脉冲精准补料技术”相结合,为微生物菌种筛选和培养条件优化提供了一高通量、高效率的反应场所。可实现对菌种生长过程的观察了解、菌种的筛选和最佳生长环境的确定,能大幅度提高生物发酵研究的工作效率。郭老师表示这两台仪器各有特点，希望可以将两款仪器的功能整合在一起，为微生物发酵实验研究提供更多便利。
庄英萍教授与郭美锦教授一致认为拥有“工匠精神”在做科研、制造过程中十分重要。不能只是为了做事而做事，应该把精益求精的精神贯穿其中。我国在仪器精密制造方面与国外有一定差距，希望国产仪器厂商在生产制造过程中秉持工匠精神，在科研生产中发挥中流砥柱作用。
关注微信公众号
