生物反应器技术开发之过程控制传感技术介绍

浏览次数：1659　发布日期：2022-11-4　来源：本站　仅供参考，谢绝转载，否则责任自负

如今，药品、营养保健品、食品和饮料生产都依赖生物产品的工业化生产。生物产品工业化的盈利能力越来越借助于生物反应器其规模经济效应。生物反应器规模经济效应则十分依赖于产品的产量、滴度和生产效率。而大多数生物产品工业化生产过程则依赖于生物反应器等的控制方法。

随着生产扩大和优化，在生物制药和合成生物学相关应用行业生物过程的监测和控制变得越来越复杂，当前控制系统技术的不足之处越来越明显。随着复杂性、非线性程度和数字化程度的增加，迫切需要更有效的先进过程控制。本文综述了工业过程自动化以及商业控制策略，让我们一起探讨生物工业发展的未来前景以及过程控制自动化的新策略。

生物反应器过程控制的传感技术

传感器是生物反应器过程控制的重要组成部分，控制着温度、pH值、溶解氧和搅拌速度。随着生物反应器设计和控制的进步，对传感技术的要求也发生了变化。例如，一次性生物反应器（SUB，Single-use bioreactor）日渐普及，pH、DO也相继推出了一次性解决方案。但目前用于SUB的多数传感器还是传统不锈钢生物反应器中使用的，某种程度上讲并不适合用于SUBs设计。

pH传感器：培养物pH值是生物反应器运行中的关键变量。pH传感技术大致可分为以下几类：基于电极的多孔玻璃电解质填充传感器，基于MOSFET（Metal oxide semiconductor field effect transistor）的ISFET pH（Ion-sensitive field effect transistor pH）传感器，基于光学性质的pH传感器，电位传感器，电化学传感技术传感器。

玻璃pH电极由于其优越的可重复性、耐久性、精确的Nernstian响应性仍然被广泛用于绝大多数的pH传感器中。离子选择性电极（ISE，Ion selective electrode），如电化学pH电极，是基于电位法原理的一大传感器子类别。电位法是一种测量电位的方法，电极之间没有电流。指示电极比较内部溶液分析物与参比电极之间固态膜上的电位变化。目前的pH传感器设计通常在探针内加入参比电极，导致结构笨重。玻璃电极的pH传感器主要挑战是其玻璃材质脆弱性，且在复杂介质中使用时存在结垢问题。

电化学传感器使用电极将分析物转化为可测量的物质。例如，气体传感器通过氧化或减少电极上的目标气体来测量气体的浓度，并测量转换的产生电流。电化学传感器由工作电极，参比电极和对电极三个电极组成。工作电极与离子发生氧化还原反应。除电极外传感器内还有透气膜将水性成分与气体分离，调节到达工作电极的气体量，防止传感器内部泄漏。

ISFET传感技术使用场效应晶体管，由于这类晶体管是离子敏感的，因此可以用于测量溶液中的离子浓度。源极和接地电极接地到基板上并连接到电路中。分析物/离子附着在栅膜上会导致源电极和接地电极之间的电势发生变化，这种变化是离子/分析物浓度的量度。ISFET被认为是第一个用于生物溶液的生物传感器场效应晶体管，因此也被称为生物场效应晶体管。

与电化学传感器相比，光学传感器仅测量H3O+离子的活性。光学传感器具有几个优点：体积小、可连续测量、不需要单独的参比电极等。光漂白是影响这类型传感器准确性最重要的因素。激发光触发的非特异性结合产生的共价或非共价键的断裂会导致指示染料的光漂白，使其无法发光。随着时间的推移导致传感器不准确。光学传感器开发的主要趋势是小型化。这将降低成本并提高大规模可生产性。光学pH贴片就是这样一种小型光学传感器。光学pH贴片将pH传感器组合到附着在生物反应器表面的粘合盘上。目前另一个最新研究领域是开发一次性光学传感器，与一次性生物反应器配合使用。

厌氧过程非常依赖“手动实验分析”和“合格实验操作员”。该过程的控制测量涉及光谱法，滴定法等。目前，正在研究的这类生物过程由于其所涉及的能量变化的大小，需要不同的光谱技术。生物过程光谱技术监测往往会产生大量的光谱，每个光谱的信息含量明显低于数据数量，从大量数据中快速提取有用的信息是关键。荧光光谱在二十一世纪初出现。[NAD(P)H]还原形式的荧光测量是最受欢迎的荧光传感器。

生物反应器中的温度控制是一项成熟的技术，通常可以实现±0.5°C或更高的精度。工业使用的典型温度传感器有热电偶、电阻温度检测器（RTD，Resistance temperature detector）和热敏电阻。特定温度测量仪器的选择取决于传感器的稳定性、灵敏度、精度、线性度和灭菌性。PT100通常用于生物反应器中的温度传感。使用铂 RTD 是因为它们对温度变化提供近乎线性的响应，稳定且准确，可提供可重复的响应，并且它们具有较宽的温度范围。RTD 因其准确性和可重复性而经常用于精密应用。动物细胞生物反应器中的温度控制通常比微生物发酵罐简单，因为细胞培养代谢活性较低，需要从反应器中除去的热量较少。

温度传感器

Clark型溶氧DO传感器采用微制造技术开发。由玻璃基板上的三个电极，一个FEP（Fluorinated ethylene polymer）透氧膜和一个PDMS（Polydimethylsiloxane）储液器组成。

生物DO传感器

标准单浆叶轮或单挡板搅拌罐通常有剪切特性不均匀和能量耗散的缺点。对敏感微生物影响较大。多浆叶轮系统中，如将浆叶轮速度降低获得等效的功率耗散，会导致产生的最大剪切值降低。应该注意的是，不管是单浆叶轮还是多浆叶轮，其在气泡界面处破裂的剪切力是相同的。因此在消耗相同总功率的多浆叶轮系统中，由于流体剪切引起的整体细胞破坏率预计会更低。因此，当微生物对剪切十分敏感时，多浆叶轮系统将是首选。安装浆叶轮期间，通常使用转速计等仪器来检测所需的转速是否与转速计中的读数相匹配，从而验证rpm值是否接近最佳值。使用CFD（Computational fluid dynamics）建模和各种特征混合预测来实现所需的浆叶轮速度和控制。

参考文献：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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