生物反應器技術開發之過程控制傳感技術介紹

瀏覽次數：1165　發布日期：2022-11-4　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

如今，藥品、營養保健品、食品和飲料生產都依賴生物產品的工業化生產。生物產品工業化的盈利能力越來越借助于生物反應器其規模經濟效應。生物反應器規模經濟效應則十分依賴于產品的產量、滴度和生產效率。而大多數生物產品工業化生產過程則依賴于生物反應器等的控制方法。

隨著生產擴大和優化，在生物制藥和合成生物學相關應用行業生物過程的監測和控制變得越來越復雜，當前控制系統技術的不足之處越來越明顯。隨著復雜性、非線性程度和數字化程度的增加，迫切需要更有效的先進過程控制。本文綜述了工業過程自動化以及商業控制策略，讓我們一起探討生物工業發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

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，對傳感技術的要求也發生了變化。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的多數傳感器還是傳統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：培養物pH值是生物反應器運行中的關鍵變量。pH傳感技術大致可分為以下幾類：基于電極的多孔玻璃電解質填充傳感器，基于MOSFET（Metal oxide semiconductor field effect transistor）的ISFET pH（Ion-sensitive field effect transistor pH）傳感器，基于光學性質的pH傳感器，電位傳感器，電化學傳感技術傳感器。

玻璃pH電極由于其優越的可重復性、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。指示電極比較內部溶液分析物與參比電極之間固態膜上的電位變化。目前的pH傳感器設計通常在探針內加入參比電極，導致結構笨重。玻璃電極的pH傳感器主要挑戰是其玻璃材質脆弱性，且在復雜介質中使用時存在結垢問題。

電化學傳感器使用電極將分析物轉化為可測量的物質。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，并測量轉換的產生電流。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。工作電極與離子發生氧化還原反應。除電極外傳感器內還有透氣膜將水性成分與氣體分離，調節到達工作電極的氣體量，防止傳感器內部泄漏。

ISFET傳感技術使用場效應晶體管，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點：體積小、可連續測量、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。激發光觸發的非特異性結合產生的共價或非共價鍵的斷裂會導致指示染料的光漂白，使其無法發光。隨著時間的推移導致傳感器不準確。光學傳感器開發的主要趨勢是小型化。這將降低成本并提高大規模可生產性。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域是開發一次性光學傳感器，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。生物過程光譜技術監測往往會產生大量的光譜，每個光譜的信息含量明顯低于數據數量，從大量數據中快速提取有用的信息是關鍵。熒光光譜在二十一世紀初出現。[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，通常可以實現±0.5°C或更高的精度。工業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酵罐簡單，因為細胞培養代謝活性較低，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開發。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。多漿葉輪系統中，如將漿葉輪速度降低獲得等效的功率耗散，會導致產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，多漿葉輪系統將是首選。安裝漿葉輪期間，通常使用轉速計等儀器來檢測所需的轉速是否與轉速計中的讀數相匹配，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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