生物反應器技術(shù)開發(fā)之過程控制傳感技術(shù)介紹

瀏覽次數(shù)：1223　發(fā)布日期：2022-11-4　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責任自負

如今，藥品、營養(yǎng)保健品、食品和飲料生產(chǎn)都依賴生物產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。生物產(chǎn)品工業(yè)化的盈利能力越來越借助于生物反應器其規(guī)模經(jīng)濟效應。生物反應器規(guī)模經(jīng)濟效應則十分依賴于產(chǎn)品的產(chǎn)量、滴度和生產(chǎn)效率。而大多數(shù)生物產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)過程則依賴于生物反應器等的控制方法。

隨著生產(chǎn)擴大和優(yōu)化，在生物制藥和合成生物學相關(guān)應用行業(yè)生物過程的監(jiān)測和控制變得越來越復雜，當前控制系統(tǒng)技術(shù)的不足之處越來越明顯。隨著復雜性、非線性程度和數(shù)字化程度的增加，迫切需要更有效的先進過程控制。本文綜述了工業(yè)過程自動化以及商業(yè)控制策略，讓我們一起探討生物工業(yè)發(fā)展的未來前景以及過程控制自動化的新策略。

生物反應器過程控制的傳感技術(shù)

傳感器是生物反應器過程控制的重要組成部分，控制著溫度、pH值、溶解氧和攪拌速度。隨著生物反應器設計和控制的進步，對傳感技術(shù)的要求也發(fā)生了變化。例如，一次性生物反應器（SUB，Single-use bioreactor）日漸普及，pH、DO也相繼推出了一次性解決方案。但目前用于SUB的多數(shù)傳感器還是傳統(tǒng)不銹鋼生物反應器中使用的，某種程度上講并不適合用于SUBs設計。

pH傳感器：培養(yǎng)物pH值是生物反應器運行中的關(guān)鍵變量。pH傳感技術(shù)大致可分為以下幾類：基于電極的多孔玻璃電解質(zhì)填充傳感器，基于MOSFET（Metal oxide semiconductor field effect transistor）的ISFET pH（Ion-sensitive field effect transistor pH）傳感器，基于光學性質(zhì)的pH傳感器，電位傳感器，電化學傳感技術(shù)傳感器。

玻璃pH電極由于其優(yōu)越的可重復性、耐久性、精確的Nernstian響應性仍然被廣泛用于絕大多數(shù)的pH傳感器中。離子選擇性電極（ISE，Ion selective electrode），如電化學pH電極，是基于電位法原理的一大傳感器子類別。電位法是一種測量電位的方法，電極之間沒有電流。指示電極比較內(nèi)部溶液分析物與參比電極之間固態(tài)膜上的電位變化。目前的pH傳感器設計通常在探針內(nèi)加入?yún)⒈入姌O，導致結(jié)構(gòu)笨重。玻璃電極的pH傳感器主要挑戰(zhàn)是其玻璃材質(zhì)脆弱性，且在復雜介質(zhì)中使用時存在結(jié)垢問題。

電化學傳感器使用電極將分析物轉(zhuǎn)化為可測量的物質(zhì)。例如，氣體傳感器通過氧化或減少電極上的目標氣體來測量氣體的濃度，并測量轉(zhuǎn)換的產(chǎn)生電流。電化學傳感器由工作電極，參比電極和對電極三個電極組成。工作電極與離子發(fā)生氧化還原反應。除電極外傳感器內(nèi)還有透氣膜將水性成分與氣體分離，調(diào)節(jié)到達工作電極的氣體量，防止傳感器內(nèi)部泄漏。

ISFET傳感技術(shù)使用場效應晶體管，由于這類晶體管是離子敏感的，因此可以用于測量溶液中的離子濃度。源極和接地電極接地到基板上并連接到電路中。分析物/離子附著在柵膜上會導致源電極和接地電極之間的電勢發(fā)生變化，這種變化是離子/分析物濃度的量度。ISFET被認為是第一個用于生物溶液的生物傳感器場效應晶體管，因此也被稱為生物場效應晶體管。

與電化學傳感器相比，光學傳感器僅測量H3O+離子的活性。光學傳感器具有幾個優(yōu)點：體積小、可連續(xù)測量、不需要單獨的參比電極等。光漂白是影響這類型傳感器準確性最重要的因素。激發(fā)光觸發(fā)的非特異性結(jié)合產(chǎn)生的共價或非共價鍵的斷裂會導致指示染料的光漂白，使其無法發(fā)光。隨著時間的推移導致傳感器不準確。光學傳感器開發(fā)的主要趨勢是小型化。這將降低成本并提高大規(guī)�？缮a(chǎn)性。光學pH貼片就是這樣一種小型光學傳感器。光學pH貼片將pH傳感器組合到附著在生物反應器表面的粘合盤上。目前另一個最新研究領(lǐng)域是開發(fā)一次性光學傳感器，與一次性生物反應器配合使用。

厭氧過程非常依賴“手動實驗分析”和“合格實驗操作員”。該過程的控制測量涉及光譜法，滴定法等。目前，正在研究的這類生物過程由于其所涉及的能量變化的大小，需要不同的光譜技術(shù)。生物過程光譜技術(shù)監(jiān)測往往會產(chǎn)生大量的光譜，每個光譜的信息含量明顯低于數(shù)據(jù)數(shù)量，從大量數(shù)據(jù)中快速提取有用的信息是關(guān)鍵。熒光光譜在二十一世紀初出現(xiàn)。[NAD(P)H]還原形式的熒光測量是最受歡迎的熒光傳感器。

生物反應器中的溫度控制是一項成熟的技術(shù)，通常可以實現(xiàn)±0.5°C或更高的精度。工業(yè)使用的典型溫度傳感器有熱電偶、電阻溫度檢測器（RTD，Resistance temperature detector）和熱敏電阻。特定溫度測量儀器的選擇取決于傳感器的穩(wěn)定性、靈敏度、精度、線性度和滅菌性。PT100通常用于生物反應器中的溫度傳感。使用鉑 RTD 是因為它們對溫度變化提供近乎線性的響應，穩(wěn)定且準確，可提供可重復的響應，并且它們具有較寬的溫度范圍。RTD 因其準確性和可重復性而經(jīng)常用于精密應用。動物細胞生物反應器中的溫度控制通常比微生物發(fā)酵罐簡單，因為細胞培養(yǎng)代謝活性較低，需要從反應器中除去的熱量較少。

溫度傳感器

Clark型溶氧DO傳感器采用微制造技術(shù)開發(fā)。由玻璃基板上的三個電極，一個FEP（Fluorinated ethylene polymer）透氧膜和一個PDMS（Polydimethylsiloxane）儲液器組成。

生物DO傳感器

標準單漿葉輪或單擋板攪拌罐通常有剪切特性不均勻和能量耗散的缺點。對敏感微生物影響較大。多漿葉輪系統(tǒng)中，如將漿葉輪速度降低獲得等效的功率耗散，會導致產(chǎn)生的最大剪切值降低。應該注意的是，不管是單漿葉輪還是多漿葉輪，其在氣泡界面處破裂的剪切力是相同的。因此在消耗相同總功率的多漿葉輪系統(tǒng)中，由于流體剪切引起的整體細胞破壞率預計會更低。因此，當微生物對剪切十分敏感時，多漿葉輪系統(tǒng)將是首選。安裝漿葉輪期間，通常使用轉(zhuǎn)速計等儀器來檢測所需的轉(zhuǎn)速是否與轉(zhuǎn)速計中的讀數(shù)相匹配，從而驗證rpm值是否接近最佳值。使用CFD（Computational fluid dynamics）建模和各種特征混合預測來實現(xiàn)所需的漿葉輪速度和控制。

參考文獻：Mitra S, Murthy GS. Bioreactor control systems in the biopharmaceutical industry: a critical perspective. Systems Microbiology and Biomanufacturing. 2022;2(1):91-112. doi:10.1007/s43393-021-00048-6

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