过程工程科学(Process Science)问题是我国生物技术产业化的关键

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·项目概况
    过程工程科学(Process Science)问题是我国生物技术产业化的关键。中国是一个工业生物技术大国，发酵体积1000万立方米，位居世界第一。主要发酵产品包括医药制品如抗生素、维生素等，大宗化学品如乳酸、丙烯酰胺、燃料乙醇、丁醇和精细化学品等，主要产品产值已达到3500亿元以上。由于我国在发酵工业上雄厚的产业基础，随着化石资源的日益枯竭，以生物质为原料生产化学品、能源等的工业生物过程将在我国国民经济中占有更重要的地位。
    我国在工业生物技术的上游领域（细胞工程、基因工程等领域）和世界先进水平差距较小，在某些方面甚至处于领先水平，但在工业生物技术的过程科学基础研究方面与国外有较大的差距，尤其是过程放大原理和方法。我国生物技术新产品的转化能力差，缺少有自主知识产权的产品中试、放大技术平台，不能迅速把实验室成果转化为工业产品，致使我国许多工业生物过程与发达国家相比普遍存在能耗高、资源综合利用率低、环境污染严重、产品质量差、工业放大周期长等问题，例如：我国较国外先进水平工业原料利用率低10-20％，产品回收率低5-15％，而能量消耗高20-30％，操作方式粗放，排污严重。至今我国的大型工业生物过程依然主要依赖国外技术。
要解决上述差距问题，必须加强工业生物技术的过程科学研究。过程科学是生物技术产业化取得成功的关键，是生物学、化学、工程科学等学科的高度交叉与集成。它探索如何从原料出发、经过最优的发酵和分离纯化工艺，用最少的原料、最低的能耗、清洁的生产工艺，高效稳定地获得高质量的产品。
    过程科学的创新将不仅解决我国现有工业生物过程中的优化放大问题，而且还可使得我国在生物技术上游的大量前期投入得以回报，实现巨大的经济效益，为加快我国生物技术产业化的步伐、提高我国生物技术产业的国际竞争力做出重大贡献。
    本项目以我国工业生物过程面临的几个重大科学问题为背景，着重解决以下3个基本科学问题，即（1）细胞群体效应及过程放大原理；（2）多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律；（3）生物过程单元耦合与过程优化原理。

    ·立项依据

    工业生物过程(Industrial Biotechnology)，又称为白色生物技术(White Biotechnology)，是以可再生生物质资源为原料基础生产化学品、材料与能源的新型工业模式。工业生物过程工程包括：过程工艺、过程装备和过程优化三个主要方面。
中国是一个发酵工业大国，总发酵体积已达到1000万立方米，为世界第一位。主要发酵产品包括大宗化学品、生物能源、食品和精细化学品如抗生素、维生素等，主要产品产值已达到3500亿元以上。许多产品如味精、柠檬酸、青霉素和维生素C等的生产规模达到世界第一位，在世界生物加工行业中占有举足轻重的地位。
    19-20世纪，以化石资源为经济基础的近代工业文明创造了空前的社会繁荣。但是近年来能源和资源短缺、生态环境恶化等一系列问题日渐突出，现代工业化经济进程与化石资源日渐枯竭的现实形成了剧烈冲突，人类社会的可持续发展面临着前所未有的挑战。
通过开发新的化学、生物方法，大幅提高可再生资源原材料的利用水平，生物加工过程成为环境可持续的化学工业和能源经济转变的重要手段。
    1、工业生物加工过程是降低对化石资源依赖、增加品种和提高品质的有效途径。
    2、工业生物过程是生物技术产业化的瓶颈。
    3、工业生物过程优化对于维护可持续发展的和谐生态环境具有重要意义。

   ·科学问题

    化石资源的日益匮乏、社会经济的高速发展，决定了二十一世纪对以生物质为原料的高效、环境友好的工业生物过程的迫切需求。工业生物加工过程的关键在于细胞群体利用生物质资源进行生物转化能力的强化、放大；各个单元的优化及其单元之间组成系统的高效集成。这些问题的解决可以显著缩短放大周期、提高原料利用率、减少排污、降低成本，进而整体提升我国工业生物技术的国际竞争力。
    本项目将重点解决如下的关键科学问题：(1)细胞群体效应及过程放大原理；(2)多相复杂体系物质和能量传递与生物转化规律；(3)生物过程单元耦合与过程优化原理。

   ·课题设置

    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：

    课题一：大规模培养细胞群体效应         [2007CB714301]
    课题二：多相生化特性分析及生物过程模化 [2007CB714302]
    课题三：生化反应过程放大原理与方法     [2007CB714303]
    课题四：生物/化学方法级联设计与调控    [2007CB714304]
    课题五：工业生物过程单元耦合与集成     [2007CB714305]
    课题六：工业生物过程的系统控制与优化   [2007CB714306]
   
    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下图所示。各课题通过解决的科学问题实现有机关联，通过各自的研究目标组成了工业生物过程的研究循环。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。
                    
各课题相互关系及各课题对解决科学问题的贡献