本期為您推薦中國科學院天津工業生物技術研究所智能生物制造平臺夏建業老師發表在生物工程學報上面的一篇綜述：“人工智能時代發酵優化與放大技術的機遇與挑戰"。文章描述了合成生物時代對發酵優化技術的挑戰，結合人工智能在新時代的發展，對未來工業發酵優化技術的場景以及未來發酵技術對人才培養等提出的新要求進行了展望。
生物制造是利用生物體機能進行物質加工與合成的綠色生產方式，而發酵優化與放大技術是生物制造技術中決定實驗室創新成果向產業化轉化能否成功的關鍵一環。自2015年起，國務院發布《中國制造 2025》、《“十四五"智能制造發展規劃》、《“十四五"生物經濟發展規劃》等相關文件，對企業實現數字化，自動化，智能化以及構建綠色低碳循環經濟體系，推動生物經濟實現高質量發展具有十分重要的意義。
我國傳統發酵產業歷史悠久，高性能的菌株和發酵工藝優化是推動其進步的基礎。近年來高速發展的合成生物學技術使得高性能菌株的獲得速度越來越快，與之相比，繁瑣的工藝優化過程卻始終是產業化的重要制約因素。如圖1所示，反應器中進行的發酵過程涉及人為操作的操作參數(operation variables)、反應器層面的狀態參數(state variables)以及細胞層面的生理特性參數(physiological variables)。然而由于發酵過程中存在復雜的物理化學過程，很難準確地獲取這些參數之間的定量關系。因此如何通過相關技術手段將培養環境與菌體代謝特性的關系摸索清楚始終是發酵產業備受關注的問題。
傳感技術是發酵過程優化中的關鍵技術，可以實時監測反應器中的生化反應情況，判斷代謝是否正常（如發酵尾氣分析技術和在線光譜檢測技術）。而微型反應器系統則是發酵過程優化中另一個關鍵技術。近年來利用人工智能技術和海量發酵過程數據開發出的微型平行反應器系統極大的提高了菌種驗證和工藝開發的工業化進程。
Biofoundry平臺等高通量自動化裝備能實現每天千萬株篩選水平，但配套的自動化發酵培養裝備相對滯后。盡管國外相關公司在微型化、自動化、集群化方向上取得了一定進展，但高昂的售價和一次性反應器的成本限制了其在發酵工業中的廣泛應用。國內方面，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，其開發的在線自動取樣裝置在國內多家科研院所、生產企業獲得成功應用。
裝備技術的飛速發展，正推動傳統發酵過程朝向生物制造的大數據時代發展，數據量的激增提升人們對發酵過程認識水平的同時也為高效數據處理提出了新的挑戰。如何將配套的數據可視化以及基于人工智能技術的發酵過程自動化是行業發展的大勢所趨，也將為傳統發酵技術帶來推動力。
圖1 發酵過程中操作參數、狀態參數及菌體生理特性參數之間的關系示意圖
圖2 多源異質數據融合對接技術框架
文獻：DOI: 10.13345/j.cjb.220606
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