生物反应过程精确测控
生物反应器是指任何提供生物活性环境的制造或工程设备，利用酶或生物体所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，它是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。 动物细胞培养技术能否大规模工业化、商业化，关键在于能否设计出合适的生物反应器。由于动物细胞与微生物细胞有很大差异，传统的微生物反应器显然不适用于动物细胞的大规模培养。首先必须满足在低剪切力及良好的混合状态下，能够提供充足的氧以供细胞生长及细胞进行产物的合成。 那么实验室中常用的生物反应器类型有哪些呢?根据反应器材质可将其分为一次性反应器和玻璃罐体反应器、不锈钢反应器材质这类多次重复使用反应器。 摇床、摇杆和搅拌罐型生物反应器，每种技术都可以使用一次性或可重复使用的生物反应器，主要区别在于它们对培养物充气和混合的方法，将生物反应器环境中将氧气转移到正在生长的细胞中。 搅拌式生物反应器 医药工业中大规模的微生物发酵过程 — 青霉素生产是在机械搅拌式生物反应器中进行的。且迄今为止，对新的生物过程，首推的生物反应器仍然是机械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多数生物过程，是形成标准化的通用产品。机械搅拌式反应器大多数用于间歇反应。 生物反应器可以是一次性的或不锈钢的，一次性反应器的容量大约 15 毫升到 2000 升不等，可重复使用的生物反应器可能高达 50,000 升。 搅拌操作过程是化工、石油化工、医药、食品工业中常见的操作之一。其目的是使两种或两种以上的介质能达到直接接触，从而在预定的时间内完成所需要的混合、传质、传热或反应过程。搅拌的过程基本作用是混合，无论是搅拌机理，还是具体的搅拌器结构设计和搅拌功率计算都与参与搅拌过程的介质性质有密切的关系。因此，工程设计中，搅拌类型可基本分为均相液液调和、非均相液液分散、气液分散和混合以及固液悬浮搅拌四大类。 优点 搅拌式生物反应器通常用于研发到制造规模的生物过程。这些已知的混合原理使得搅拌式生物反应器中的气体传输非常有效。它们在各种操作条件下非常灵活，它们可用于在低剪切力下培养敏感的哺乳动物细胞或培养某些需要极端温度和高压的真菌。 缺点 1.搅拌式生物反应器用于动物细胞培养存在的最大缺点是剪切力大，容易损伤细胞，虽然经过各种改进，这个问题仍很难避免。 2.虽然喷射允许通过更大体积的氧输入，但它不如通过顶部空间的氧气传输效率高。 3.叶轮容易将泡沫引入生物反应器，必须消泡处理。 4.不锈钢生物反应器中的叶轮和喷雾器必须彻底清洁以防污染。 波浪式生物反应器 波浪式生物反应器也相当普遍。它们通常是大型塑料一次性袋子，平放在轻轻摇摆的平台上（<100 rpm）。这些生物反应器通过顶部空间将氧气输送到细胞培养物中，并使用摇杆平台混合。 波浪式生物反应器常用于实验室。由于它们虽占地面积大但效率高，它们可用于小批量生产或辅助大型的搅拌式生物反应器。 优点 大型扁平二维波浪式生物反应器可实现高效的氧气传输，比搅拌罐生物反应器更温和，因为它们无需叶轮即可对培养物进行充分充气。最后，由于波浪式生物反应器不使用喷射器或叶轮，并且通常是一次性使用，因此它们易于清洁并且几乎没有交叉污染的风险。 缺点 大型、扁平的波浪式生物反应器范围通常只有5到100L，其大小受通过顶部空间的氧气传输速率的限制。 摇床生物反应器 摇床（又称振荡器），是一种在化学和生物实验室中常用的用于搅拌溶液的装置。一个典型的摇床有一个可以由电动机驱动的水平振动面板。待搅拌的液体装在烧杯、广口瓶或锥形瓶中，然后将容器放置在面板上。有些情况中，溶液可以装在离心管中，然后放在托架上，再使用摇床进行搅拌。 优点 摇床属于生化仪器，广泛用于对温度和振荡频率有较高要求的细菌培养、发酵、杂交、生物化学反应以及酶和组织研究等。实验室常用的液体摇匀，微生物、细菌和细胞培养。 旋转运动将细胞培养液向上移动到生物反应器的侧面，导致非常薄的流体层粘附在容器的侧面。这可以实现极大化的氧气传输，而无需占用大量空间。传质完全依赖于通过顶部空间的气流。 这种混合方法可以减轻剪切力，使其非常适合哺乳动物细胞培养。 缺点 1.难以记录设备运行中各时点参数生产，实验过程难以追溯。 2.需要反复，步移或阶梯振荡培养的实验活动，由于传统摇床的局限，很多富有创造性的技术线性只能忍痛割爱。 3.无法长时间进行低温培养运行，设备或积霜或化霜。 4.制冷状态手动设置，一旦环境温度变化，工作室温度迅即大幅偏移并进入超温报警状态。 我应该使用什么类型的生物反应器？ 事实证明，搅拌式生物反应器有较大的操作范围,混合程度高，适应性广，在大规模生产中广泛使用，但不适用动物细胞培育。而波浪式生物反应器是公认的能提供良好混合和通气效果，污染风险低、操作灵活，但在扩大规模期间，占地面积是个很大问题。摇床生物反应器是一种较新的技术，但具有高效率和高产量潜力。 不管何种技术的生物反应过程中所需气体或液体的快速又精准调控，才能生物物质平稳在适当的环境条件下生长。 Alicat提供了不止快人一步的质量流量测控技术，200:1宽量程比、5ms响应速度、内置98种气体，可对不同气体进行精准、快速、可靠的流量测量和控制。 生物反应过程中，Alicat MFC系列质量流量控制器，配合多种反应过程所需传感器，实现无需人工干涉的快速、精准的自动调整生物反应过程中所需的实时气体配比，以对反应器进行适当的控制。 CODA 科里奥利流量计和控制器即使在计量混合物的流体成分发生变化时，也能准确测量和控制流量。科里奥利技术更是高压、低流量的理想选择，还提供密度读数。CODA 系列仪表的流量范围在 0.08 g/h 到 100 […]
