12月初，山東菱花集團傳來捷報：該公司在谷氨酸發(fā)酵過程中應用系列生物傳感器分析系統(tǒng)，測定發(fā)酵生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵生化參數(shù)，對溫敏型谷氨酸產(chǎn)生菌發(fā)酵過程進行在線檢測和發(fā)酵過程優(yōu)化，實現(xiàn)流加糖工藝，葡萄糖谷氨酸轉(zhuǎn)化率高達69%，提高生產(chǎn)效率15%以上，3年累計新增產(chǎn)值逾17億元。
我國是生物傳感器研究大國
有人把21世紀稱為生命科學的世紀，也有人把21世紀稱為信息科學的世紀。生物傳感器正是由生命科學和信息科學集成發(fā)展起來的一門交叉學科。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，生物傳感器已經(jīng)成為一個涉及內(nèi)容廣泛、多學科介入交叉并且充滿創(chuàng)新活力的科技領(lǐng)域。
與傳統(tǒng)的分析儀器不同，生物傳感器以生物活性材料如酶、抗原、細胞等為感知元件，通過物理化學換能器，將生物反應的信息轉(zhuǎn)化成可定量識別的數(shù)字信號。生物傳感器具備特異性好、靈敏度高、可操作性強等優(yōu)勢，在醫(yī)學檢驗、食品分析、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程檢測控制等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用空間。
據(jù)生物傳感器領(lǐng)域的權(quán)威雜志統(tǒng)計，2008年中國第一次取代了美國，成為該雜志發(fā)表論文數(shù)量最多的國家，目前在數(shù)量和質(zhì)量上仍然呈快速增長趨勢。應該說，我國是生物傳感技術(shù)研究大國，具有國際先進的研發(fā)團隊和技術(shù)基礎，在生物傳感器新原理、新方法和新結(jié)構(gòu)方面已取得一系列國際先進或國際領(lǐng)先的科研成果，但研究成果向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化進程還比較緩慢。據(jù)統(tǒng)計，2010年全球生物傳感器市場銷售額突破了100億美元，預計2020年將達到225億美元。其中臨床檢驗占44.9%，家庭診斷20.2%，環(huán)境監(jiān)測14.3%，實驗室10.7%，工業(yè)過程6.6%，生化反恐3.3%。但我國目前生物傳感器產(chǎn)品的國際市場份額不到10%。
山東工業(yè)生物傳感器技術(shù)應用異軍突起
在國家和山東省科技計劃的持續(xù)支持下，山東省科學院生物研究所在菱花集團將生物傳感器在線檢測系統(tǒng)與發(fā)酵罐連接，對發(fā)酵過程進行在線檢測和工藝優(yōu)化。當培養(yǎng)液中殘?zhí)菨舛冉抵?0.0g/L時開始流加補料，通過調(diào)節(jié)流加速率分別控制培養(yǎng)液中殘?zhí)菨舛取＠猛L和攪拌控制溶氧為最適溶氧，控制乳酸產(chǎn)生。根據(jù)谷氨酸濃度和殘?zhí)菨舛茸兓_定發(fā)酵終點。通過以上研究確定溫敏型谷氨酸產(chǎn)生菌培養(yǎng)的最佳工藝，培養(yǎng)32h后谷氨酸濃度高達190g/L以上，葡萄糖谷氨酸轉(zhuǎn)化率高達69%以上。
山東省科學院生物研究所多年來從事工業(yè)生物傳感器的研究和應用，是我國唯一實現(xiàn)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化應用的科研單位，先后研制出葡萄糖、還原糖、乳酸等多種生化分析傳感器，建立了生物傳感器在工業(yè)環(huán)境下運行的實驗方法、操作規(guī)程、配套試劑及培訓服務體系，產(chǎn)品占國內(nèi)市場95%以上（其余5%為進口產(chǎn)品）。其研制的生物傳感器廣泛應用于食品、發(fā)酵、醫(yī)藥等行業(yè)，累計服務國內(nèi)企事業(yè)單位2000余家，占據(jù)中國工業(yè)生物傳感器應用市場的90%以上。其中，技術(shù)成果先后在氨基酸、有機酸和淀粉糖領(lǐng)域示范推廣應用，綜合經(jīng)濟社會效益達100億元以上。
組建協(xié)同創(chuàng)新體系迫在眉睫
山東省科學院生物研究所所長史建國接受記者采訪時認為，中國擁有國際上最大的工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)，這為生物傳感器的應用提供了廣闊的發(fā)展空間。經(jīng)過過去30多年的積累，我國相關(guān)的科研機構(gòu)和企業(yè)在各自關(guān)注的領(lǐng)域作出了大量卓有成效的研究開發(fā)工作，現(xiàn)在是到了聯(lián)合起來的時候，組建跨部門、跨行業(yè)、跨區(qū)域的生物傳感器創(chuàng)新體系已經(jīng)迫在眉睫。為此，山東省科學院生物研究所正在著手籌建中國生物傳感器技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟。
史建國認為，我國生物傳感器產(chǎn)業(yè)目前急需重點開展三個方面的工作：一是開發(fā)新的酶分子元件，增加生物傳感器檢測指標，實現(xiàn)對多種代謝產(chǎn)物的檢測；二是將生物傳感器與物理、化學傳感器融合，研發(fā)多傳感器分析模塊，建立工業(yè)生物過程的在線檢測與自動控制系統(tǒng)；三是生物傳感器與信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建新型的智能化工業(yè)生物過程控制與運行模式。
