国家生化工程技术研究中心(北京)

李 强

国家生化工程技术研究中心(北京)

National Engineering Research Center For Biotechnology（Beijing）

李 强

开栏语：

“十一五”期间，中国经济平稳较快发展，综合国力显著提高，社会事业显著进步，人民生活显著改善。中国经济在世界经济格局中的地位进一步提高，国内生产总值已跃居世界第二。中国已成为世界制造基地，成为世界重要的工业品生产和供应基地。然而，中国所取得的令世界瞩目的经济成就与低价格高素质劳动力的供给密不可分。缺乏核心技术致使中国的制造业一直处于全球制造业的生产链的中低端，某些产业92%的利润被跨国公司拿走。更为严峻的是，我国人口增速下降，人口红利正加速衰减。自1978年计划生育政策成为基本国策，我国人口的快速增长得到了有效的控制。但是，计划生育政策同时也改变了人口结构，加速了我国人口老龄化。据预测，到21世纪中叶，中国将失去18%～35%的劳动力，这就意味着中国的劳动力不再廉价、充足。为维持经济的快速稳定发展，中国迫切需要加快转变经济发展方式，从人力密集型、资本密集型为主的产业结构到技术密集型、文化密集型为主的产业结构。因此，中国提出“十二五”期间的主要任务是加快转变经济发展方式，基本建成国家创新体系，国家综合创新能力世界排名由目前第21位上升至前18位，科技进步贡献率力争达到55%，创新型国家建设取得实质性进展。

为实现建设创新型国家和产业结构优化升级的重大战略，科技部和国家计划委员会（现国家发改委）分别组织实施了“国家工程技术研究中心建设项目计划”。科技部组织实施的国家工程中心命名为“国家工程技术研究中心”，发改委组织实施的命名为“国家工程研究中心”。以提高自主创新能力、增强产业核心竞争能力和发展后劲为目标，组织具有较强研究开发和综合实力的高校、科研机构和企业等建设的研究开发实体。在“创新、产业化”方针指引下，探索科技与经济结合的新途径，加强科技成果向生产力转化的中间环节，促进科技产业化；面向企业规模生产的需要，推动集成、配套的工程化成果向相关行业辐射、转移与扩散，促进新兴产业的崛起和传统产业的升级改造；促进科技体制改革，培养一流的工程技术人才，建设一流的工程化实验条件，形成我国科研开发、技术创新和产业化基地。至2010年，我国共建成国家工程中心268个，其中科技部组建了141个。分布于农业、能源、制造业、信息与通信、生物技术、材料、建设与环境保护、资源开发利用、轻纺、医药卫生等领域，遍及全国二十多个省市自治区。

本刊增设“工程中心”专栏，旨在介绍“国家工程中心”的概况以及相关技术领域的国际最新进展和发展趋势，关注“工程中心”的运行方法、先进技术研发情况、创新技术发展前景及重要技术成果产业化，展现国家工程中心在创新型国家建设和促进产业结构优化升级过程中的重要贡献。

国家生化工程技术研究中心是根据国家生物技术产业化研究的需要，于1996年由中国科学院过程工程研究所（原中国科学院化工冶金研究所）与南京工业大学、华东理工大学联合申请成立的国家级研究中心。中国科学院过程工程研究所负责国家生化工程技术研究中心（北京）的建设，于2000年通过国家科技部的验收。

国家生化工程技术研究中心（北京）（以下简称“中心”）关注于生物和化工的交叉研究，瞄准国家能源、资源、医药等重大需求，从实际应用中提取生化工程应用过程的关键问题，侧重于突破成果产业化的技术瓶颈，发挥连接生物技术和生化工程基础研究实验室和生物技术企业之间的桥梁和纽带作用，以工业生物放大过程中存在的关键工程科学技术问题为突破口，以实质性地提高我国工业生物过程研究的创新能力为目标，促进资源、能源、生物基化学品、医药卫生等领域的研究，同时支撑我国生物制造的发展和进步。

中心以中国科学院过程工程研究所为依托，与生化工程国家重点实验室相互协作，主要研究大规模生物反应、生物分离纯化、生物剂型工程的核心技术，在蛋白质、多肽以及天然产物有效成分的分离纯化等方面进行工程设计、放大和产业化；自成立以来承担了多项国家863计划、国家科技攻关计划、各企业委托项目及技术转让项目，涉及生物反应、生化分离、生化产品制备过程优化、生化分离特种介质的研制等多个方面，与相关企业合作进行了技术的应用推广及新产品的产业化转化；并与生物技术上游单位和部分制药企业合作，进行技术的放大和产品的规模化生产，形成了对生物产品制备过程进行理论研究及应用开发的产学研基地。此外，中心还抓住世界范围内药物发展的趋势，积极开展缓释、控释以及长效药物的开发研究工作，并取得了一些突破性的进展。可提供自主品牌各类层析介质、缓/控释药物制剂、聚乙二醇（PEG）修饰剂、长效药物制剂、高稳定性乳液生产设备、层析柱、层析设备和产学研相结合的技术服务平台。

中心以重点推广自主开发的品牌产品、工艺、设备为核心，多种盈利方式并存的发展思路，走出了一条具有中心特色的盈利模式：（1）科技和工程成果直接转让，近四年来中心有41项专利技术在企业得到实施，约占授权专利的23%；（2）“产学研用”联合盈利平台，一方面解决国家重大需求，另一方面促进中心成果在企业中的迅速转化；（3）企业创新资助，中心与国内外百余家企业签订合作协议，为企业设计新流程，实施新技术，进行传统产品和工艺的升级改造，促进了企业的发展并创造了巨大的经济效益；（4）参与和帮助企业孵化，中心为多家科研单位和企业提供了中试平台以及过程放大设计，使其技术迅速孵化成产品，节省了时间和精力，解决了科学技术工程化的难题。中心的大型设备和核心技术面向国内外同行，提供服务和技术咨询及产业化。目前大型仪器设备已经加入了中科院过程工程研究所的联合分析测试中心、中科院北郊生命科学仪器区域中心以及北京市中关村开放实验室，可从网上预约使用。

中心团队：

中心围绕项目布局，积极加强了高层次、复合型人才的培养与引进。根据备选人的学术成就或学术水平建立了三个层次的引进人才政策（包括院士级别、杰出人才及百人计划）。在薄弱方向上引进了“杰出人才”（相当于国家千人计划，影响力高于百人计划），迅速带领出一支队伍；在优势方向上引进了百人计划，加入优势方向团队，形成整体优势；按主要研究方向组成创新团队，设立团队首席。

中心受主任和首席科学家的直接管理和指导，下设开发部、推广部、评价部、销售部、商务谈判部、售后服务部等部门，各部门分工明确、协同合作，凝聚团队力量，开拓创新。目前，中心共组建了四个团队：生物大分子过程工程创新团队、生物质工程创新团队、绿色分离工程与环境生物技术创新团队、生化工程介质与装备创新团队。上述每个团队由多名高级职称人员组成，在团队中实现力量整合、学科交叉、优势互补、帮扶新人，形成团队在优势方向上的整体竞争优势，共同承担国家和企业的重要项目。中心团队具有工程技术研究开发、对外开放服务的能力和水平。

部分关键技术和产品简介

1、尺寸均一的微球分离介质及载药微囊

生化工程介质可用于生化反应中的细胞微载体、酶固定化载体，生化分离中的层析介质，生化剂型中的载药微囊等。微球和微囊作为新型的生化功能材料，可用作生物分离介质、酶固定化载体、蛋白质/多肽药物载体，在许多领域均有着广泛的应用。它们是现代生物技术实现产业化过程中不可缺少的“硬件”。生化工程介质属于消耗材料，每年耗资巨大，发展具有自主知识产权的新型生化工程介质具有重大的意义。

随着生化工程技术及相关产业的快速发展，对功能材料的要求也越来越高。针对目前生化工程介质研制过程中难以制备尺寸均一的多孔微球介质的关键问题，中心发展了新的制备过程——新型膜乳化技术，一步合成制备出了疏水性、极性、亲水性的微米级-百微米级合成高分子多孔介质以及天然高分子多糖介质。膜乳化法通过无机微孔膜为介质，借助于膜分离和毛细管作用力原理，解决了传统乳化方法存在的问题，实现了微球和微囊的均一性和可控性。中心采用膜乳化技术制备了20多种不同结构和性能的微球和微囊，形成了系统化的尺寸均一可控的微球和微囊制备技术，并将其用于生化分离介质、药物载体等多个方面。尺寸的均一性和可控性提高了天然产物的分离效果，可将药物与结构类似的杂质完全分开，所开发的独特的介质成孔技术，实现了纳米-微米级的孔径可控，可应用于生物大分子和小分子产品的分离纯化。运用配基均匀连接技术和分离工艺紧密结合的策略制备出了系列多糖微球产品，介质已被国内外用户广泛使用，产品性能获得用户的好评。该项研究获中科院百人计划、国家杰出青年科学基金“用于生物化学工程和医学工程的新型聚合物微球”、863高技术项目“尺寸可控的海洋多糖微球与微囊”，中科院创新设备研制项目“高通量膜乳化器”等项目的支持。

层析介质产品

中心已成功研制了琼脂糖凝胶层析介质系列产品，包括疏水层析介质、离子交换介质、亲和介质及凝胶过滤介质等，品种齐全，应用领域广泛。琼脂糖凝胶介质的国产化对我国生物工程下游产业的发展意义重大。近年来，中心在原有3种产品（凝胶过滤、阴离子交换介质、阳离子交换介质）实现产业化的基础上，重点开发了高附加值的亲和层析介质（如金属螯合介质、GST亲和介质、Protein A亲和介质、肝素亲和介质、蓝胶亲和介质等）、用于配基偶联的活化介质（环氧活化、NHS活化介质）以及超大孔介质等，产品质量达到国际同类产品的最好水平，且价格优势明显。中心以琼脂糖微球作为基质，以偶联的各种特异性功能基团作为配基，不仅可以提供亲和层析介质如琼脂糖亲和介质（Ni）、琼脂糖亲和介质（谷胱甘肽）、琼脂糖亲和介质（肝素）、琼脂糖亲和介质（蓝胶）及琼脂糖亲和介质（蛋白A）等，还可依据用户的具体需求生产出具有不同配基的琼脂糖亲和介质。中心的生物分离介质和微囊制备技术、设备和产品在国内外八十多家单位得到应用。其中，琼脂糖介质产品的分离性能良好、成本低，在大规模生物分离层析工艺中得到越来越多的应用，为企业创造了较大的经济效益；自主研制的膜乳化器在企业批量制备出了琼脂糖介质、合成介质，实现了成果产业化；载药微囊在GMP车间完成了批量制备，能够满足临床前实验和临床实验研究。此外，中心还开发了具有自主知识产权的魔芋葡甘聚糖细胞培养微载体，并用于Vero细胞、CHO细胞、BHK细胞等的培养，这一成果将大幅降低动物细胞培养成本，提高我国生物制品企业的竞争能力。

2、核酸和多肽药物修饰及剂型化

PEG修饰人粒细胞集落刺激因子新药

不同品种PEG修饰剂产品

中心积极开发具有自主知识产权的聚乙二醇（PEG）修饰剂和PEG修饰技术，获得了10项发明专利，处于业界领跑者地位，有力地保护了我国PEG修饰剂的知识产权；同时，PEG修饰剂的制备规模已达到批次公斤级，成为我国PEG修饰原料提供者，为我国PEG修饰技术发展提供基础支撑。在PEG修饰剂和修饰工艺的支撑下引领了我国PEG修饰蛋白质的发展，作为牵头单位与我国多个企业联合承担国家863计划PEG修饰项目，在PEG修饰技术和产品开发方面取得了丰硕的成果，其中已有多个产品进入临床试验，使我国长效蛋白质药物的研制与产业化正在快速赶上发达国家。建立了重组人粒细胞集落刺激因子（rhG-CSF）的PEG（分子量三万）定点修饰和一步法离子交换纯化工艺，获发明专利；完成了三批克级以上30k-PEG-rhG-CSF注射液的规模化制备及临床前实验研究，与国际上现有的20k-PEG-rhGCSF相比半衰期明显延长，已经通过了北京市药品监督管理局的现场考查和中国药品生物制品检定所的检测，并于2011年获得了临床批件。

壳聚糖微球（SEM）

聚乳酸微球（SEM）

聚乳酸载体微球（SEM）

抗癌复乳药物载体（光镜）

多孔微球（SEM）

取得的一系列的成果扩大了中心在生物制药行业中的知名度，一些著名制药公司和研发单位与中心合作，研究多个重组人细胞因子的修饰技术。中心采用PEG丙醛（分子量两万）定点修饰细胞因子的N末端，结合一步法离子交换工艺，完成了PEG定点修饰细胞因子的规模化制备、大规模分离纯化与大鼠体内的药效动力学实验。结果表明PEG修饰延长了多个细胞因子的循环半衰期，能更好地保护药物的生物学功能。此外，在生物药物的微包埋研究方面，中心也与国内外知名企业展开了“复合微球/微囊”、“硅油乳液制备”技术合作、“蛋白质/DNA包埋合作协议”等重要技术合作项目。

3、药物缓/控释制剂

针对蛋白质及多肽类药物直接用药时存在的不易吸收、半衰期短、容易被体内酶类降解以及现有制备过程难以制备尺寸均一、可控的微囊等关键问题，发展了新型制备过程——膜乳化技术，制备出了尺寸均一的各种微囊。同时，通过合成新的材料，开发新的固化过程，解决了蛋白质药物在包埋和释药过程中容易失活和药物释放速度过慢等问题。已制备的制剂有壳聚糖微球、聚乳酸系列微囊、壳聚糖基智能型水凝胶、温敏型白蛋白纳米球和抗癌药物栓塞剂等。聚乳酸微囊和壳聚糖微囊在疫苗制剂和口服制剂中使用正在向实际应用方向发展。该项研究获国家杰出青年科学基金“用于生物化学工程和医学工程的新型聚合物微球”、863高技术项目“尺寸可控的海洋多糖微球与微囊”、国家重大科技专项-创新药物和中药现代化“长效基因工程蛋白质和多肽制剂关键技术”等项目的支持。

4、生物大分子纯化

汉逊酵母表达乙肝疫苗纯化，P1为纯化过程中乙肝病毒表面抗原形成的聚集体，P2为正常的乙肝病毒表面抗原组装体。通过对溶剂环境的控制，可以抑制过程中产生的聚集体，提高过程的收率。

小型膜乳化器（MEM-15M）

中型膜乳化器（MEM-2L）

膜乳化技术原理图

大型快速膜乳化器（FMEM-40L）

高通量膜乳化器（MEM-10L）

高通量膜乳化器运行原理

蛋白质药物是生物制药工业中发展最快、活力最强、技术含量最高的产品。基因工程疫苗也在快速地发展，成为防治传染病和重大疾病的有力武器。所有这些发展都对蛋白质药物制备过程的生产规模、效益、批量生产的安全性、有效性提出更高度要求。目前，中心已经建成疫苗分离纯化技术平台、基因工程药物分离纯化技术平台、血液制品分离纯化技术平台三大技术平台。在国家863计划的支持下，中心与知名制药企业合作，针对疫苗生产中出现的纯度低、活性低、回收率低的难题，通过多角度激光、场流分级分离等先进的检测与分析技术，掌握了疫苗为代表的多亚基蛋白质的失活和稳定规律，发展了疫苗分离纯化技术和介质。针对乙肝疫苗多聚亚基蛋白质的特殊性，创新性地开发了集成化生产技术，包括专用介质的研制，溶液环境的选择，过程工艺的连接，以及自动清洁化的生产。通过技术创新，将多亚基生物大分子的活性回收率较大幅度的提高，已经获得国家发明专利授权10项，使我国乙肝疫苗的生产水平和产品水平达到国际领先水平。

5、高通量膜乳化器

2007年，中心自主开发研制了世界上第一台电脑控制的大型膜乳化器，所有关键部件均由自主攻关、自行设计加工，用来制备尺寸均一可控的聚合物微球。在中国科学院重大装备研制项目的支持下，中心进一步完善设计，成功开发了用于规模化生产高稳定性乳液的设备——高通量膜乳化器，解决了现有乳化设备无法生产稳定乳液的问题。膜乳化器采用自动加压、自动乳化、自动后处理以及自动数据采集的全过程集成，通过该膜乳化器所制备的乳液液滴的粒径分布系数（CV值）不超过20%。设备操作简单，产生的乳液均一稳定（粒径分布: 约±10%）；乳液和微球的粒径可控（0.4～100mm以上）；制备过程平缓，能耗低，生物活性物质不易失活，乳滴稳定；制备过程易放大，现已达到了规模化生产的处理量（20L/h～100L/h）。

高通量膜乳化器实现了加料、乳液制备、乳滴质控、乳滴固化、微球后处理、数据管理一体化的全过程集成的自动化操作，可用于微球（分离介质）、微胶囊（药物载体）、涂料、食品、化妆品等领域的微球、微胶囊制备，如聚苯乙烯多孔微球、聚甲基丙烯酸羟乙酯多孔微球、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯多孔微球、壳聚糖微胶囊、琼脂糖微球等多种产品。多孔微球产品已成功应用于紫杉醇、淫羊藿甙、多肽、蛋白质等生物活性物质的分离纯化，并取得了优异的分离效果。

“尺寸均一、可控的乳液、微球和微囊制备技术”获得了2009年“国家技术发明奖二等奖”，获国家技术发明专利授权15项。

6、蛋白质层析系统和装备

蛋白质层析工作站是一种快速分离多肽、核酸、蛋白质和天然产物等生化产品的全新液相层析系统，其配套的层析柱和方法模板可以进行凝胶过滤、离子交换、疏水层析和亲水层析，快速完成多肽、核酸、蛋白质和天然产物的分离纯化，包括已知和未知蛋白质的分离，高纯度生物大分子药物的制备等，实现从实验室基础研究到整个工艺方法的快速开发及放大。

研制的蛋白质层析工作站

多柱组合层析高通量蛋白质分离系统

蛋白质的高通量层析分离纯化是蛋白质组学研究和蛋白质产品生产过程中的关键技术之一。在中科院重大科研装备研制项目“多柱组合层析高通量蛋白质分离设备”的支持下，中心自主研发了4柱和12柱大型多柱组合层析分离纯化设备，拥有自主知识产权，具有创新性和实用性，在蛋白质分离设备的国产化方面取得了突破，实现了高效、高通量分离纯化蛋白质等生物大分子，计算机自动控制和高通量、高效率、多模式层析。该层析系统的研制成功，一方面解决了中心对各种蛋白质药物和天然产物药物进行分离纯化的装备所需，另一方面也可以为我国生物技术同行提供具有自主知识产权的蛋白质分离纯化装备，满足国家和中科院蛋白质工程研究所需，提供一种高通量大规模制备蛋白质的平台系统。目前中心正在将该成果进行推广应用。

技术服务

蛋白质分析检测服务：中心拥有多种蛋白质纯化设备和分析检测仪器，包括行业内普遍使用的等蛋白质层析工作站，可根据客户要求进行目标蛋白质分离，过程放大，目标物检测等服务；具有完备的检测设备如色谱、质谱和光谱分析设备，包括HPLC-MS，MALDI-TOF MS，圆二色，FS荧光光谱、场流分级分析和多角度激光检测等，可对分离出的目标物进行定性和定量的快速检测；拥有一批具有丰富分离纯化经验的技术人员，可根据客户需求纯化毫克至百克级的蛋白质、酶、抗原、抗体等生物大分子。

层析介质定制：中心具有多年的分离纯化介质研发经验，成功开发了Ni、GST、肝素、蛋白A、蓝胶等亲和介质，DEAE、CM、SP、Q等离子交换介质和丁基、苯基等疏水层析介质。现可为客户提供亲和层析介质定制服务，可根据客户需求偶联不同的亲和配基（多肽、蛋白质、抗原、抗体等），合成大规模应用所需的亲和介质。

小分子纯化：可为广大客户提供小分子纯化服务，目标物可以是天然产物、多肽或合成小分子等；中心拥有多种分离纯化设备和分析检测仪器，如高效液相色谱安捷伦1200、岛津LC-8A/LC-20A，液相色谱-质谱联用仪，蒸发光散射检测器、荧光检测器等。同时，中心拥有一批具有丰富分离纯化经验的技术人员，可根据客户需求纯化毫克级至百克级的小分子。

多肽合成仪

多肽合成服务：采用化学合成方法制备多肽，可以对天然多肽的结构进行修饰，从而增加多肽与受体的亲和力、选择性，增强对酶降解的抵抗力或改善药代动力学特性，甚至由受体的激动剂变为拮抗剂；以多肽固相合成和组合化学为基础的组合肽库合成技术，使得在短时间内获得大量的多肽化合物成为可能，药物筛选的效率不断提高，将会有越来越多的化学合成多肽类化合物成为治疗用药物。中心具有多种多肽合成设备以及合成多肽的分离纯化设备，可为客户提供多肽合成服务、多肽分离以及规模化制备等。

扫描隧道显微镜

缓释、控释、长效药物制剂的研究开发服务：主要从事缓释、控释、长效制剂的研究与开发，主要是微囊、微球、纳米球的制备与载药研究。为了实现微囊、微球、纳米球的粒径均一性和可控性，相关技术团队主要采用直接膜乳化和快速膜乳化技术实现对粒径和粒径均一性的控制。目前制备微球、微囊和纳米球所选用的载体材料包括壳聚糖、PLA/PLGA、海藻酸盐、白蛋白等天然或合成的可降解材料，所制备的粒子粒径从百纳米到十几微米可控，粒径均一性好，粒径分布的CV值在20%以下。利用这些粒子所开展的应用研究包括口服胰岛素制剂、降糖药物制剂、疫苗佐剂、肠靶向口服活菌制剂、靶向抗癌药物制剂等。生物大分子界面吸附的综合表征：具备完整的界面分析仪器，其中

包括：接触角界面分析仪、生物大分子作用仪、石英晶体微天平、双偏振界面分析仪、原子力显微镜、扫描隧道显微镜等，可实现对蛋白质等生物大分子界面吸附行为的综合表征。可表征数据包括：界面吸附量、界面吸附高度、界面吸附密度、界面分子形态。

液相色谱柱定制：中心可为广大客户提供分析、制备色谱分离所需的粒径均一的各类填料，粒径分布可控满足客户需求，并可定制不同尺寸不同分离规模的色谱柱。

此外，中心可为客户提供膜乳化法微球制备、多种固定化载体及其固定化服务。微米级微球规模化制备，多孔微球制备，单眼微球制备，药物包埋等。载体微球的粒径为50纳米到3毫米；可选择载体材料包括：纳米微载体、凝胶微球、多孔聚合物微球、多孔硅玻璃微球、单晶硅平板。考察不同尺寸、不同载体和不同配基的固载量和活性回收率，优化固定条件，考察稳定性、重复利用性和最佳固载条件。提供系列聚乙二醇修饰剂产品和修饰工艺，为客户提供化学修饰多种蛋白质制剂的技术支持和产品服务。

展望

随着人民生活水平的提高，人体健康、疾病预防受到前所未有的重视，越来越多的生物技术药物急需产业化，另一方面，随着工业生物技术迅速发展，人们对于用生物技术改造传统产业、解决石油和其它矿产资源的枯竭问题、环境污染的加剧等问题寄予希望。国家生化工程技术研究中心（北京）的责任更加重大。

中心将积极推动中心现有产品的规模化放大工作，充分利用现有中试基地进行产业化过程放大，并与合作单位配合进行产品的评价和完善；抓好中关村开放实验室的工作，积极与中关村科技园区内的企业展开合作，推进现有技术的产业化、市场化进程。持续加强中心人才队伍的梯队建设，为青年科技人员的成长提供良好的环境，发挥每一位人才的聪明才智和潜力，锻炼其承担科研任务、生产任务的能力；继续招贤纳士，建设产品开发和成果转化的团队；加强与国内外各科研机构、院校以及企业的合作，实现中心的可持续发展。此外，紧密合作，精密分工，强化宣传、做好推广、管理营销、积极参加国内外相关技术交流会议及推广会议，完善中心的产品线，加深国内外同行对中心的技术和产品的认识和了解，创造更多的合作机会和科学发展空间。