我国大规模细胞培养生物反应器综述（四）
3.2.4生物反应器中试系统设计
对于生产量大的传统生物技术产品，为了对已经通过前期研究（实验室研究和市场分析）的产品进行过程优化研究，在中试规模上达到高生产水平或质量，并进而为车间生产提供工艺放大依据和设备设计依据，必要时还可进行小批量生产，提供应用试验样品、或供市场销售的部分产品。为此，近年来许多有关发酵产品生产的企业迫切需要建立一个多功能的中试发酵车间。
随着以"多尺度"观点的发酵研究技术的发展，中试车间的有关装备的软硬件技术和研究方法以上述内容为核心进行建设，以便有效地解决发酵过程的优化与放大问题。考虑到装置系统的通用性以及为生产用罐的设计提供数据，其中一些关键设计参数如搅拌功率及搅拌桨型式、发酵热及高效传热装置设计、通气流量设计等必需有足够的调节余量或选择。此外，参数检测必需配置较完整传感（约14个参数以上）与数据处理系统，发酵罐结构与制造技术（如罐体材料、焊接、抛光、夹套结构与制造、搅拌装置制造技术等）应先进，为今后的发酵过程优化与放大设计提供重要的工程设计数据。
在中试系统中，一个重要的设计目标就是生物反应器群控技术的过程控制与数据处理，这不是通常意义的下位计算机所能实现的。因此，如何根据不同情况选用计算机系统就成为一个重要问题。近年来，随着计算机技术的发展，在生物反应器系统中可以选用的计算机系统有单片计算机、PLC、工业控制计算机、现场总线计算机控制系统和DCS系统等，其中现场总线系统与大容量计算机相结合可以很好地适应发酵中试系统的控制与数据处理要求。可以采用将智能嵌入式计算机系列的智能模块技术、高性能网络通信技术、信息处理技术、综合自动化控制技术与生物反应控制有机结合。设计成每个罐使用一块现场总线模块独立控制，各个罐相互独立，用分散的虚拟控制站取代了集中的控制站，增加了系统的可靠性。同时多个罐的控制回路用以太网连到一个IPC组成的操作站，组成小型的局域网。采用常规控制系统软件包对所有发酵罐进行控制，具有高安全性和连续操作的特点。又以上位计算机进行数据通讯的集中显示系统，具有贮存量大、数据处理使用方便和直观的人机界面特点。
3.2.5大型生物反应器设计与制造技术研究
几十年来随着发酵工业的快速发展，发酵工程趋向设备大型化、高效和自动化。以传统生物技术产品来说，一些氨基酸、抗生素或发酵轻化工产品都在几十到几百M3以上发展，一些原来是小规模发酵罐的老厂搬迁新厂区，发酵罐的规模也普遍要求放大。基因工程产品一般附加值高，不需要大型生物反应器，但近年来随着基因工程酶生产技术的发展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于饲料添加剂的需求量大，用于基因工程高密度高表达的大型生物反应器研制已势在必行。特别是今后随着矿物质能源的耗竭，利用生物质生产燃料乙醇等已提到重要战略议事日程，高效节能的大型发酵装置的应用是降低生产成本的不可缺少的关键技术，如美国、巴西等国家已达2000M3以上发酵装置。
大型装置的利用也带来新的技术问题。目前国内发酵过程工业放大主要是根据经验放大，例如单位体积功率相等、单位体积通气比相同或选用相同的搅拌桨型式等，实际情况很难把握。后来又引进了化学工程的冷态试验方法，对罐内流型进行了充分研究，最后根据这些混和传递特点，进行大型生物反应器设计，但实际情况有时偏差也很大。
发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵过程的失败。为此，我们在发酵过程放大研究时，提出了在以代谢流分析与控制为核心的发酵实验装置上进行研究，由此可得到用于过程放大的状态参数或生理参数，只要我们在放大的设备上得到完全相同的反映代谢流等生理数据变化曲线，就可以较好地克服上述放大过程中的问题，因而提出了发酵过程参数调整的放大技术。
但是以上工作还只是生理代谢参数相似的放大原则，并不能代表大型发酵罐的几何结构和动力结构等可设计参数的确定，也就是说在放大规模的状态参数转化为操作或设计参数又有一个研究过程，需要在积累性的工作基础上提升到理论和方法。例如根据OUR、KLa以及所选用的搅拌桨特性测算不同发酵罐规模所需的搅拌功率研究；根据OUR与菌体细胞剪切适应量选择不同规模发酵罐的搅拌器形式、转速或其他结构的研究；搅拌器的混和与剪切特性的冷态研究，计算流体力学的应用研究；大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡研究，以及传动装置技术和整体罐结构设计研究；根据耗氧率进行发热量估计及传热面积的研究：不同传热结构（夹套、蛇管、半圆管和激光焊接膨胀型蜂窝夹套）的传热效果、强度、无菌性能研究和造价；放大效应的计算机控制补偿的设计研究以及具有补偿控制能力的计算机数据采集与控制系统；以及上述研究的数据库建立与推广应用。
因此，如何在放大的罐体上实现达到相同代谢流参数的目标的设计，需要从生物学、化学工程、机械制造、传感技术到计算机控制技术的协同努力。
4. 后语 ── 细胞过程的系统生物学研究与生物反应器
长期来以微生物等为代表的过程研究，是基于经典的以动力学为基础的工程学概念和经典的以化学计量学和热力学研统为基础的生物学概念。随着过程工程技术和生物技术的进展，对过程系统的认识由宏观到微观，由还原论到综合论，必需引入现代的工程学和生物学基础，特别是在深入开展微生物过程研究中如何整体性看待遗传和生理就成为过程优化与放大的重要问题。在现有的生物反应过程研究中往往是先进行遗传育种，然后进行发酵条件优化，在过程中忽略遗传和蛋白信息流的改变，也就是说把菌种改造的基因特性与发酵过程优化研究分割开来。在研究过程中，我们还经常发现由单一生理调控机制出发做出的解释往往缺乏全局性的概念，只揭示了生理调控的局部和某一时段的特点，因此难于对整个过程控制和优化起决定性作用。
以上情况，实际上提出了发酵过程系统生物学研究的重要性问题。系统生物学不同于以往的仅关心个别的基因和蛋白质的实验生物学，它要研究所有的基因、蛋白质以及组分间的所有相互关系。显然，系统生物学是以整体性研究为特征的一种大科学。工业微生物过程的系统生物学研究的主要内容是：把生物反应器体系作为相对封闭的生态系统，用系统生物学的方法来研究微生物内在的生理活动、微生物之间的相互作用、微生物与外在环境相互作用关系。这种全域性研究可以发掘微生物生物合成调控基因，为代谢工程改造菌种、重构微生物基因组及表达调控系统提供理论基础；发掘发酵过程参数优化的分子机制，为进一步优化发酵过程参数提供理性依据。
在研究方法上，我们强调宏观的差异分析法。这种研究方法以系统生物学为背景，直接把代谢产物或途径与转录谱相关联建立高通量筛选平台，有可能产生跳越式而不是递增式改良，并且把菌种改良与发酵过程开发统一起来，提供的研究基础还可以用于其他工业生产菌株，可以加快菌种高效筛选与过程开发。
以上研究理论的深入和技术方法的进步，必定反映在生物反应器结构与功能的变化，特别是提出了从基于参数传感技术的反馈控制发展为以信息处理为基础的生物过程检测与分析[ ]。提供了大量的过程检测数据，但不是pH和DO电极那样只是提供了一个单变量的方法，而是以各种谱分析为主要内容的可以同时测量很多变量的多变量方法。这些谱分析有各种质谱仪(MS)，其中包括用于发酵尾气成分分析的气体质谱仪和测定各种微生物系统的有机物的热裂解质谱仪(PyMS)；各种红外谱分祈(IR)，某中包括用于营养成分消耗和产物形成的的近红外(NIR)以及在红外指纹区应用的中红外(MIR)；用于生物细胞或生物有机物分析的拉曼振动谱(Raman spectroscopy)；研究生物系统电极极化性能的非线性双电极谱的双电报系统(Dielectric spectro.) 。 对这些谱图测量所得到的海量数据，在数据处理时必需有功能强而粗犷的高维快速分析功能，可以采用多元化学计量学方法。
此外，有关工业微生物过程的系统生物学的研究方法，在转录水平上可采用基因芯片分析转录组，在翻译水平上采用2D电泳、时间飞行质谱分析蛋白质组，在调控网络上采用染色体免疫沉降方法分析所有的转录调控位点等。由此可见，用于生命科学测定技术与分析仪器所得到信息已开始作为重要的发酵过程检测参数，如何解决生物过程的信息处理以及与控制系统之间的关系就成为一个值得关注的问题。
