В быстро развивающемся ландшафте современного производства инженерия биопроцессов стала ключевой технологией для многочисленных производителей, позволяющей повысить эффективность производства и оптимизировать качество продукции. Будь то в области пищевая промышленностьфармацевтика, химическая промышленность или другие отрасли, связанные с биотехнологиями, эффективные и точные контроль биопроцессов не только напрямую влияет на эффективность производства, но и играет важнейшую роль в обеспечении стабильности продукции. В этой статье мы рассмотрим, как можно использовать инжиниринг биопроцессов для оптимизации производственных процессов, стимулирования развития промышленности и повышения конкурентоспособности предприятий на рынке.

Высококачественный производитель биологии брожения Overal Solution!

Инженерия биопроцессов - это междисциплинарная область, охватывающая биологию, химию, инженерное дело и многое другое. В первую очередь она связана с расширением лабораторных достижений в области биотехнологии путем промышленного усиления и инженерного проектирования для разработки эффективных, экономичных и экологически безопасных производственных процессов и оборудования для биологических продуктов, позволяющих осуществлять крупномасштабное производство и применение. Используя биологические реакционные процессы в качестве основы, он применяет инженерные принципы и методы для оптимизации, контроля и проектирования процессов производства биологических продуктов, направленных на повышение качества продукции, выхода и эффективности производства при одновременном снижении производственных затрат.

Инженерия биопроцессов направлена на изучение принципов биологических реакционных процессов и оптимизацию параметров управления ими. В области биоферментации она может предложить производителям превосходные решения.

Тенденции в инженерии биопроцессов

Как область биотехнологии и инженерии, инженерия биопроцессов развивается в направлении эффективности, интеллектуальности и устойчивости. Вот основные тенденции ее развития:

1. Оптимизация и управление технологическими процессами на основе искусственного интеллекта

Приложения машинного обучения: В инженерии биопроцессов используются алгоритмы глубокого обучения для анализа огромных массивов биологических данных, оптимизации конструкции биореакторов, контроля параметров (таких как температура, pH, растворенный кислород) и процессов разделения продуктов. Например, ИИ может предсказать кривую роста микробных клеток во время ферментации, что позволяет в режиме реального времени регулировать подачу питательных веществ.

Технология Digital Twin: Создание виртуальных моделей физических биореакторов для моделирования работы в различных условиях эксплуатации, что ускоряет разработку и масштабирование процессов.

2. Распространение технологий высокой производительности и автоматизации

Автоматизированные лаборатории: Использование интегрированной робототехники, микрофлюидных чипов и другого оборудования для автоматизации всего рабочего процесса, начиная с отбора штаммов, культивирования и заканчивая анализом продукции, что позволяет сократить цикл исследований и разработок.

Высокопроизводительный скрининг: Сочетание технологии микрочипов и алгоритмов искусственного интеллекта позволяет проводить быстрый скрининг высокопродуктивных штаммов или оптимизированных молекул ферментов, повышая эффективность биопроизводства.

3. Биопроизводство и устойчивое развитие

Зеленое биопроизводство: Использование биомассы (например, сельскохозяйственных отходов) для производства биотоплива (например, этанола и водорода) и биоматериалов (например, биопластиков PHA), что позволяет снизить зависимость от ископаемых ресурсов.

Углеродно-отрицательные технологии: Разработка "углеродно-нейтральных" или "углеродно-отрицательных" производственных процессов с помощью микробной инженерии для фиксации CO2, отвечающих глобальным целям углеродной нейтральности.

Как оптимизировать производство с помощью инженерии биопроцессов?

Благодаря постоянному технологическому прогрессу сфера применения инженерии биопроцессов расширяется, особенно в фармацевтике, производстве продуктов питания и напитков, а также в развитии возобновляемых источников энергии, где ее роль становится все более значительной.

Поэтому оптимизация производства с помощью биопроцессов для достижения высокой производительности, низкого потребления и экологической чистоты является давним стремлением. Вот некоторые актуальные направления исследований:

I. Оптимизация биореактора и процесса

Выбор подходящих новых реакторов может повысить степень готовности продукта. Например, реакторы с воздушным лифтом снижают силу сдвига при перемешивании, что делает их подходящими для хрупких клеток (таких как клетки CHO, производящие антитела), при этом плотность клеток увеличивается на 50%. Другой пример - мембранные биореакторы, которые объединяют реакцию и разделение для удаления ингибирования продукта в режиме реального времени, продлевая непрерывные производственные циклы. При ферментации этанола с использованием мембранных реакторов концентрация продукта может быть увеличена вдвое.

При оптимизации процесса использование нанопузырьковой технологии позволяет повысить растворимость кислорода в процессе ферментации, сократить аэрацию и снизить энергопотребление производства. Например, при аэробной ферментации нанопузырьки повышают эффективность растворения кислорода на 40%. Кроме того, 3D-печатные скаффолды могут создавать пористые носители, имитирующие микросреду тканей, что способствует высокой плотности культуры клеток в процессе производства (например, плотность культуры гепатоцитов достигает 10⁷ клеток/мл).

II. Интеллектуальное управление и оптимизация процессов

В биопроцессах интеллектуальная оптимизация процесса необходима для получения высококачественных продуктов в большом количестве. Например, онлайн-мониторинг и регулирование в реальном времени помогают производственному персоналу контролировать выход продукции в режиме реального времени для достижения оптимальных соотношений выхода. Применение спектроскопических методов, таких как спектроскопия в ближней инфракрасной области (NIR), позволяет отслеживать концентрацию клеток и расход субстрата в режиме реального времени в сочетании с алгоритмами ПИД-регулирования для динамической настройки стратегий питания. Например, оптимизированные стратегии питания при производстве моноклональных антител увеличивают выход антител на 25%.

Другой пример - использование виртуальных фабрик для создания цифровых моделей-близнецов биореакторов, прогнозирующих производительность при различных условиях эксплуатации и сокращающих циклы масштабирования процесса.

III. Модели устойчивого и низкоуглеродного производства

В условиях перехода мировой обрабатывающей промышленности к низкоуглеродному и экологически безопасному развитию биопроцессы обеспечивают технические решения для использования ресурсов биомассы, снижения загрязнения окружающей среды и повышения устойчивости производства. Использование лигноцеллюлозного гидролиза и ферментативных технологий позволяет превращать сельскохозяйственные отходы (такие как солома и багасса) в ферментируемые сахара, заменяющие глюкозное сырье, и снижать затраты на 30%.

Кроме того, использование передовых технологий для утилизации энергии продукта также может снизить производственные затраты. Например, использование технологии тепловых насосов для утилизации отработанного тепла из реакторов для предварительного нагрева культуральной среды снижает энергопотребление на 20%. Кроме того, благодаря использованию побочных продуктов в процессе производства, преобразование микробных остатков в корма или удобрения снижает выбросы отходов.

Оптимизация биопроцессов требует совместных инноваций по всей цепочке - от штаммов, реакторов, производственных процессов до регулирования параметров - в сочетании с мультиомическими данными, алгоритмами искусственного интеллекта и технологиями "зеленого" производства, что в конечном итоге позволит достичь целей эффективного, низкоуглеродного и экономичного производства. В будущем, с распространением цифровых двойников и систем оптимизации замкнутого цикла, биопроизводство перейдет к точному контролю в режиме реального времени и нулевым выбросам углекислого газа.

Заключение

Являясь передовым инструментом оптимизации производства, биопроцессный инжиниринг позволяет повысить эффективность производства, обеспечить качество продукции, снизить производственные затраты и повысить устойчивость производства. Благодаря постоянным инновациям и развитию отраслевых технологий предприятия, которые в полной мере используют преимущества биопроцессной инженерии и следят за тенденциями развития отрасли, несомненно, займут выгодное положение в условиях жесткой конкуренции на рынке, способствуя долгосрочному устойчивому развитию.