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发酵罐生物反应器

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生物反应器控制系统的部署挑战以及风险和安全性评估

2022-7-23
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工业规模的生物工艺是现代世界药品、保健品、食品和饮料加工行业大部分生产的基础。这些工艺的盈利能力越来越多地利用严重依赖于产品产量、滴度和生产力的规模和范围经济。大多数工艺使用经典控制方法进行控制,占生物工艺行业中使用的工业控制的90%以上。然而,随着生产工艺的进步,特别是在生物制药和保健品行业,生物工艺的监测和控制,如转基因生物发酵和下游工艺变得越来越复杂,经典和一些现代控制系统技术的不足之处越来越明显。因此,随着工艺中的研究复杂性、非线性和数字化的增加,迫切需要更有效的先进过程控制,同时也需要更容易实现工艺强化和产品产量(无论是质量还是数量)的提升。在本文中,将广泛讨论过程和自动化的工业方面以及各种商业控制策略,以深入了解工业发展的未来前景以及过程控制和自动化的可能新策略,并特别关注生物制药行业
部署控制策略的挑战
由于过程可变性高、生物系统的复杂性、大多数情况下需要在无菌环境中操作,以及可用于帮助描述培养状态的实时、直接措施相对较少,生物反应器控制具有独特的挑战。这导致了一些创新解决方案的开发,以及需要额外研究和开发的领域的确定。 
规模放大的相似性原则 
相似性原则用于生物工艺的规模放大,但由于不可能同时实现几何和运动学相似性,因此面临着一些实际挑战。当该工艺的基础物理已知并且各种参数的相关性已知时,可以使用Pi -定理推导无量纲的数字组及其之间的关系,以执行规模放大过程。由于实现完全相似是不可行的,部分相似往往是设计者的目标。生物工艺在规模放大过程中也需要生理相似性,这使得生物工艺过程比化学反应器的放大更具挑战性。生理相似性是指维持在生物反应器中维持相似的底物进料速率、产品积累/去除速率、生物质生长速率、pH 和温度以及微量和大量营养素浓度的条件,使其与开发该工艺的实验室规模研究一样。 
对于某些类型的生物反应器,如U 环和气升环生物反应器,氧传质的放大一直是关键的研究领域。氧气传输速率和用于良好混合的多个叶轮的使用是用于进行传质的一些技术,并且要进行诸如什么值或应该是某个叶轮尺寸的考虑。 
生物催化考量 
在生物过程中使用生物催化剂可以以多种方式加速或改进该过程,并且结合系统生物学领域的帮助,已经证明其可以将规模扩大到中等水平。提高搅拌速度可以促进生物反应器内的传质;然而,生物催化剂通常对由增加的搅拌速度所引起的剪切场敏感,从而导致生产率下降。例如,当Rushton 涡轮设置为1000 rpm 时,与 600 rpm 相比,6L CSTR 中青霉素发酵的特异性生产率(每细胞干重克数)大约低50%,这清楚地表明事实上,涡轮速度的提高并不总是能改善反应,并且可能反过来由于其它因素而损害生产力。不仅速度,有时传热在放大考虑中起着巨大的作用,因为无论是否使用生物催化剂,某些过程确实会由于反应器的升温而受到影响。