生物反應器控制系統的部署挑戰以及風(fēng)險和安全性評估
工業(yè)規模的生物工藝是現代世界藥品、保健品、食品和飲料加工行業(yè)大部分生產(chǎn)的基礎。這些工藝的盈利能力越來(lái)越多地利用嚴重依賴(lài)于產(chǎn)品產(chǎn)量、滴度和生產(chǎn)力的規模和范圍經(jīng)濟。大多數工藝使用經(jīng)典控制方法進(jìn)行控制，占生物工藝行業(yè)中使用的工業(yè)控制的90%以上。然而，隨著(zhù)生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，特別是在生物制藥和保健品行業(yè)，生物工藝的監測和控制，如轉基因生物發(fā)酵和下游工藝變得越來(lái)越復雜，經(jīng)典和一些現代控制系統技術(shù)的不足之處越來(lái)越明顯。因此，隨著(zhù)工藝中的研究復雜性、非線(xiàn)性和數字化的增加，迫切需要更有效的先進(jìn)過(guò)程控制，同時(shí)也需要更容易實(shí)現工藝強化和產(chǎn)品產(chǎn)量（無(wú)論是質(zhì)量還是數量）的提升。在本文中，將廣泛討論過(guò)程和自動(dòng)化的工業(yè)方面以及各種商業(yè)控制策略，以深入了解工業(yè)發(fā)展的未來(lái)前景以及過(guò)程控制和自動(dòng)化的可能新策略，并特別關(guān)注生物制藥行業(yè)
部署控制策略的挑戰
由于過(guò)程可變性高、生物系統的復雜性、大多數情況下需要在無(wú)菌環(huán)境中操作，以及可用于幫助描述培養狀態(tài)的實(shí)時(shí)、直接措施相對較少，生物反應器控制具有獨特的挑戰。這導致了一些創(chuàng )新解決方案的開(kāi)發(fā)，以及需要額外研究和開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域的確定。
規模放大的相似性原則
相似性原則用于生物工藝的規模放大，但由于不可能同時(shí)實(shí)現幾何和運動(dòng)學(xué)相似性，因此面臨著(zhù)一些實(shí)際挑戰。當該工藝的基礎物理已知并且各種參數的相關(guān)性已知時(shí)，可以使用Pi -定理推導無(wú)量綱的數字組及其之間的關(guān)系，以執行規模放大過(guò)程。由于實(shí)現完全相似是不可行的，部分相似往往是設計者的目標。生物工藝在規模放大過(guò)程中也需要生理相似性，這使得生物工藝過(guò)程比化學(xué)反應器的放大更具挑戰性。生理相似性是指維持在生物反應器中維持相似的底物進(jìn)料速率、產(chǎn)品積累/去除速率、生物質(zhì)生長(cháng)速率、pH 和溫度以及微量和大量營(yíng)養素濃度的條件，使其與開(kāi)發(fā)該工藝的實(shí)驗室規模研究一樣。
對于某些類(lèi)型的生物反應器，如U 環(huán)和氣升環(huán)生物反應器，氧傳質(zhì)的放大一直是關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。氧氣傳輸速率和用于良好混合的多個(gè)葉輪的使用是用于進(jìn)行傳質(zhì)的一些技術(shù)，并且要進(jìn)行諸如什么值或應該是某個(gè)葉輪尺寸的考慮。
生物催化考量
在生物過(guò)程中使用生物催化劑可以以多種方式加速或改進(jìn)該過(guò)程，并且結合系統生物學(xué)領(lǐng)域的幫助，已經(jīng)證明其可以將規模擴大到中等水平。提高攪拌速度可以促進(jìn)生物反應器內的傳質(zhì)；然而，生物催化劑通常對由增加的攪拌速度所引起的剪切場(chǎng)敏感，從而導致生產(chǎn)率下降。例如，當Rushton 渦輪設置為1000 rpm 時(shí)，與 600 rpm 相比，6L CSTR 中青霉素發(fā)酵的特異性生產(chǎn)率（每細胞干重克數）大約低50%，這清楚地表明事實(shí)上，渦輪速度的提高并不總是能改善反應，并且可能反過(guò)來(lái)由于其它因素而損害生產(chǎn)力。不僅速度，有時(shí)傳熱在放大考慮中起著(zhù)巨大的作用，因為無(wú)論是否使用生物催化劑，某些過(guò)程確實(shí)會(huì )由于反應器的升溫而受到影響。
