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生物系統工程研究室介紹 (2005年更新版)

國立中興大學生機系生物系統工程研究室

興大生機系生物系統工程室成立於1997年,目前的研究為生物感測系統、生物反應器的參數量測與控制、與生醫檢測技術相關設備開發等三大項目。有關傳統農業的相關技術研究與推廣仍然維持園藝產業相關工程技術與組織培養苗量產技術等兩項工作項目。此篇文章的內容在於介紹此研究領域的內容,並對生物工程的發展加以討論。

一、生物技術與農業

生物技術與農業的應用有許多相同的處。就廣義農業而言,農業包括了農林、漁、牧等範圍,而其產品除了提供人類食物來源與衣物原料的外,也有部份產品作為藥物原料或工業用原料。生物技術係以生物為本體,以取得人類所需要的農業種苗、藥物與工業原料。 

農業生產技術與生物技術的目的相同,均是提供人類所需要的資源,但是兩者的利用方式則有顯著不同。農業生產最後利用的產品為生物本身完整的系統例如植物的根、莖、葉等,動物的蛋、肉、牛奶等,林木的木材等,這些都是分化完成的器官。而生物技術則直接針對生物體加以利用,其生命形態如細胞,組織塊或是組織群,或是微生物,或是生物本體成份如蛋白質等。因此生物技術的利用方式有兩型。第一種是以生物技術以得到上游產品,再交由下游農業進行生產作業。花卉組織培養苗,動物胚胎,水產養殖苗等屬於此類。另一種是將生物技術的產品直接利用,例如自組織塊直接萃取有用的藥物成份,人參液、靈芝液即是此例。

利用生物以得到所需產品。在生產過程中受到生命體本身活性的限性,其生存環境的限制條更為嚴苛,幾乎必須在完全清潔無菌的環境。在生產條件如此嚴苛下,生產設為特製裝備,生產成本十分昂貴,因此只有生產高價位的產品才合乎生產成本。由上述討論可知,生物技術對象必須為高價位的產品,產品本身為人類所能利用,因此目前農業生物技術以種苗、藥物為主要發展目標。

二、生物技術與生物工程

()、技術與工程

技術(Technology)與工程(Engineering)在定義上有嚴格的區分,技術往往存於實驗室,手工藝,人為製作等領域,而工程則代表流程己有嚴謹的規劃,每個作業均為可控制、可量化、可重覆,而其每次流程所得到結果都相同,有相同的數量與相同的品質。

以微生物藥劑為例,如何篩選有益微生物是屬於技術層次,而在選拔出產品後將微生物藉由生產流程,產生數量足夠,品質良好的商業化產品,則是工程範圍。以蘭花組織培養苗生產為例,品種選育,母瓶製作,培養基配方測試等是屬於技術,而洗瓶機,培養基分注機,組培室環控等作業是工程範圍。

()、生物技術產業

生物技術的產品不論是直接利用,或是持續至下游生產產品,其中關鍵性考慮點在於產業。因為以工程的場,唯有能配合產業發展,工程才有實用的價值。在基本研究的立場,研究題目或許不受限制,但是工程應用,必須慎選產業對象。

以台灣的工業基礎而言,能生存且發展的產業必須有以下特色:

1.      在國內直接應用成為產業,產品能夠行銷世界。

2. 在國內研發的工程技術,生產工廠或許在國外,但是本國研發的技術為國外生產者不或缺。  

兩種產業的共同點在於具有國際競爭力。換言的,能夠在國際競爭中持有領先的地位。生物技術能生存也必須具有上述條件。

()、生物技術成功成為產業的條件

以歐州生技應用成功的案例草藥與蘭花說明產業成功的要件。

1.產業本身有高競爭性,例如草藥為人類醫療用品,蘭花是花卉中售價最高的作物。

2.整體產業已系統化,以工業界標準作業流程進行生物性原料的生產。而在生產過程中引入生物技術為關鍵技術。銀杏生產中為有效成份的萃取。蝴蝶蘭生產中為分生苗量產技術。

3.生產過程的標準化、工程化。雖然生產的對象為生物,但是在製程中要求標準化,每個流程可量化管理。可以以工業品管方式以管制生產進度。

()、生物系統工程研究案例介紹:

1. 植物組織養苗量產工程

技術重點為組培苗生產作業的機械化、組培瓶內微氣候環境的控制、組培苗生產的自動化作業。產業對象為蝴蝶蘭苗生產。再沿伸至建立種苗生產企業。

2. 生物反應器的量化與自動控制

研究項目為化學感測系統的開發,軟體感測系統研究,生長模式控制的基礎研究,與單晶片控制器的應用。產業對象由球根作物、微生物、動物細胞。

3.      生醫檢測技術

由人體生理特性的研究開始,探討可應用量測的感測技術。並逐漸建立標準作業程序與量測不確定度的計算程序。

()、系統工程的配合

     系統工程的定義如下:對於生命的世界界定一系統,系統的下再區分成各子系統與元件。探討各子系統與元件的相互關係,以數學公式加以量化。並由各量化公式完成系統的完整模式,以定量每一子系統或元件對系統的影響,因此可以得到最佳化生產程序。

生物技術產業由於其投資成本龐大,影響因子繁雜,無法憑藉人為經驗判別、管理。以組培苗生產為例,商業生產為10萬只瓶苗時,自母瓶開始的繼代繁殖要幾次,每次生產多少瓶?存活率與污染率的影響有多大?每次培養期的人力,資材與準備量為多少?這些問題唯有以系統工程加以整合,才能得到最適當的生產作業。

()、生物系統工程

由上述的討論可知,生物系統工程代表對生物技術促其生產流程成為工程作業,量化與控制其產量,而對生產作業以完整系統加以考慮,建立數學模式求得生產流程最佳化,兼顧生產效率與生產成本。

 ()、他山的石

  美國農業工程學會對生物工程己有明確的定義,其內容附錄如下:

BIOLOGICAL ENGINEERING

    Biological systems can consist of cells in tissue culture, plant systems, humans, animals or groups of animals. Biological engineering areas include: biomaterials, biomechanics, biological systems modeling, bioinstrumentation/imaging, implant design, food and fiber processing, energy, sustainable systems design and mass transfer in bio-environments. 

    Biological engineering graduates pursue careers in fields such as medicine, biomedical engineering, environmental engineering, natural resources, agriculture and related areas.

三、從事生物工程的學理基礎

生物工程有許多工作項目需要利用機械。生物工程是原農機工程的擴大。以產業與技術加以討論如下:

在產業方面,原農機工程是處理動植物的器官等成品,生物工程的對象為涵括更小的組織細胞。在技術方面,生物工程除了應用機械工程的原理,也包括控制工程,化學工程,感測工程等領域。由此可知生物工程涵括的領域比農機更廣。踏入此領域,必須相對擴大自己的學術基礎。

對大學階段而言,除了數學(微積分、工程數學)、靜力學、動力學、材料力學、流體力學、熱工學、熱傳遞、電工學與電子學、電腦程式等基礎工程課程的外,必須具備化學、生物學、統計學與生物技術的基礎。

在研究所階段,數理的基礎需要加強數值分析、迴歸分析、最佳化設計等課程。專業方面必須研修以下的課程:生物材料物性、感測系統、生物感測系統、生物環境與製程管理、生物生長模式與環境控制、生物產品下游工程、生物系統工程、生醫感測分析等。課程規劃與課程內容在網站另篇文章加以討論。

生物系統工程以綜合性的工程學理應用於生物領域,對工程各科系而言,生機系的前身為農機系,農機的作業對象原己著於有生命的農作物,因此是最容易轉型至生物工程此領域。在此轉型中,有不斷的討戰,有許許多多的艱難,需要自我調適,自我充實,需要有原創性以開發。在此新領域。生物工程此學術領域在21世紀的前五年,仍未定型,仍許多發展空間,此學術領域需要付出以開創,沒有現成的教科書可研讀,沒有現成的實驗可以模仿。

所有的研究的項目均有個核心概念:

I 由從學術研究開始,研究水準要超越國際

II、與業者配合,共同掌握台灣的優勢產業。

四、生物系統工程研究室工作項目

    研究室限於人力、場地、資源的限制,必須有其優先次序。本研究室第一期目標(19977~200212)為花卉組培苗生產技術與園藝設施工程研究項目。研究已告一段落。近期目標(20037~200512)為生物感測系統、生物反應器的參數量測與控制、與生醫檢測技術相關設備開發等三大項目。2006年以後目標為生物電學的應用,生物反應器的量產工程與生醫感測系統的標準檢驗制度。