微生物發(fā)酵項(xiàng)目放大是把實(shí)驗(yàn)室研究探索階段的菌株及對(duì)應(yīng)的工藝，經(jīng)過或者不經(jīng)過中間放大，選擇合適的設(shè)備、管道布局及環(huán)境，應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的整個(gè)過程。技術(shù)層面，這個(gè)過程是非線性放大過程，實(shí)驗(yàn)室研究成果僅為基礎(chǔ)，與最終工業(yè)化的工藝可能相差甚遠(yuǎn)；系統(tǒng)層面，這個(gè)過程是一個(gè)各要素協(xié)同與逐步形成系統(tǒng)的過程，工業(yè)化生產(chǎn)涉及的寬度較大，故此微生物發(fā)酵項(xiàng)目放大對(duì)負(fù)責(zé)人的要求較高。
在項(xiàng)目選題時(shí)，負(fù)責(zé)人需了解法規(guī)，并有準(zhǔn)確的判斷能力
曾經(jīng)碰到一個(gè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，拿著一個(gè)限制類的維生素菌種，以為其技術(shù)指標(biāo)比較先進(jìn)，租賃廠房放大生產(chǎn)，最后項(xiàng)目沒有成功。這樣的老項(xiàng)目新菌種，如果在國(guó)家的產(chǎn)業(yè)目錄中屬于限制類，需要有以前的產(chǎn)能對(duì)應(yīng)縮減轉(zhuǎn)移許可才有可能立項(xiàng)?？煽紤]作為技術(shù)升級(jí)比較合適，而再另起爐灶就不太合適了。
近年隨著合成生物學(xué)蓬勃發(fā)展，各項(xiàng)法規(guī)也逐步放開。有個(gè)植物提取生產(chǎn)工藝的某個(gè)萜烯曾經(jīng)是國(guó)家二類抗癌藥物，近年通過合成生物學(xué)“不種而獲”的創(chuàng)新工藝，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)物作為注射主成分，已有企業(yè)獲得國(guó)家藥品審評(píng)中心的臨床申請(qǐng)，有望成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)合成生物學(xué)來源的植物天然產(chǎn)物新藥。這樣的新項(xiàng)目新工藝發(fā)展前景就很大。筆者手頭上就有產(chǎn)量很高、轉(zhuǎn)化率較高的菌株。
筆者認(rèn)為，可以從技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、商業(yè)替代性三個(gè)維度判斷選題是否成功，其中技術(shù)成熟度考慮的是改造菌種的穩(wěn)定性與發(fā)酵工藝的可行性，產(chǎn)業(yè)規(guī)?；紤]的是工藝放大參數(shù)化與產(chǎn)品純化可控性，商業(yè)替代性考慮的是新需求的孵化性與產(chǎn)品本身難替代。在時(shí)間維度下，這些都考驗(yàn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的判斷能力。
在項(xiàng)目確定后，負(fù)責(zé)人需有很深的專業(yè)功底支撐起發(fā)酵工藝評(píng)價(jià)
發(fā)酵工藝評(píng)價(jià)包括項(xiàng)目工藝完整性與發(fā)酵指標(biāo)綜合性評(píng)價(jià)，項(xiàng)目工藝完整性指除了發(fā)酵穩(wěn)定性外，還有前端的菌種及后端的提取純化；發(fā)酵指標(biāo)綜合性評(píng)價(jià)指除了最高產(chǎn)量外，還有對(duì)應(yīng)的發(fā)酵周期、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率等。
也有個(gè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，拿著一個(gè)氨基酸菌種做項(xiàng)目，最后項(xiàng)目沒有成功。當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上成熟的工業(yè)產(chǎn)量在20-30g/l，其菌株小試得50g/l目標(biāo)產(chǎn)物，自以為其技術(shù)指標(biāo)“先進(jìn)”，缺乏前置的工藝完整性評(píng)價(jià)與發(fā)酵指標(biāo)的綜合性評(píng)價(jià)。事后對(duì)比，一是菌株比原菌株穩(wěn)定性差，因質(zhì)粒的不穩(wěn)定性導(dǎo)致放大時(shí)出現(xiàn)批間高低起伏太大，發(fā)酵重復(fù)性差；二是提取純化工藝未考慮除鹽步驟，導(dǎo)致最后成品的灼燒殘?jiān)爸亟饘賰身?xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定性差，出現(xiàn)不合格產(chǎn)品頻次高，在工藝完整性評(píng)價(jià)方面沒有優(yōu)勢(shì)。再有，一是原來成熟工藝對(duì)應(yīng)的發(fā)酵周期是35h左右，而新菌株工藝對(duì)應(yīng)的發(fā)酵周期50h甚至更長(zhǎng)至90h；二是原成熟菌株工藝補(bǔ)料用的是50%的糖化液，而新菌株工藝補(bǔ)料用的是70%的葡萄糖溶液，即使新菌株工藝得50g/l的產(chǎn)量，但其糖轉(zhuǎn)化率與成熟菌株的糖轉(zhuǎn)化率相當(dāng)，單位產(chǎn)品的動(dòng)力成本也相當(dāng)，在發(fā)酵指標(biāo)綜合性評(píng)價(jià)方面沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。
近年合成生物學(xué)中的一些雙相發(fā)酵工藝，如果通過基因改造構(gòu)建了一個(gè)新菌株后，未有考量菌種的穩(wěn)定性、耐受性，未有對(duì)下游的分離純化工藝的配套研究，未多維度考量比對(duì)其他一些質(zhì)量技術(shù)成本指標(biāo)，這將給放大帶來很高的風(fēng)險(xiǎn)。這就要求放大負(fù)責(zé)人有很深的專業(yè)功底，支撐項(xiàng)目工藝完整性評(píng)價(jià)與發(fā)酵指標(biāo)綜合性評(píng)價(jià)。
在項(xiàng)目實(shí)施后，負(fù)責(zé)人需有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)便于及時(shí)應(yīng)對(duì)異常
由于基礎(chǔ)的菌體生理特性研究和工業(yè)放大特性數(shù)據(jù)的線性不對(duì)應(yīng)，造就基礎(chǔ)研究與最終的工業(yè)放大脫節(jié)。微生物發(fā)酵項(xiàng)目每一步放大都是理論與實(shí)踐的一次探索，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，工藝的欠缺可以通過改善反應(yīng)器、附屬件及管道布局來彌補(bǔ)，反應(yīng)器的不足與放大效應(yīng)也可以通過微調(diào)整工藝來適應(yīng)。
這其中的關(guān)鍵就是及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常、應(yīng)對(duì)異常。涉及設(shè)備、工藝、物料等多維度，也涉及分子、發(fā)酵、物化膠化等多層面，還涉及到意識(shí)、能力與經(jīng)驗(yàn)。比如確保無雜菌時(shí)的綜合分析與解決，比如不同發(fā)酵工藝對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)時(shí)的比較與考量，比如解決發(fā)酵液粘度與乳化問題等等。
微生物發(fā)酵項(xiàng)目放大是一門科學(xué)，也可能是一門藝術(shù)，涉及多學(xué)科的綜合與多維度的考量。微生物發(fā)酵項(xiàng)目放大對(duì)負(fù)責(zé)人要求較高，需要有生物、工程、分析等學(xué)科的廣度基礎(chǔ)，也需要有一定的法規(guī)、工藝、設(shè)備等多維度的把控能力，還需要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
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