不同生物工艺中发酵罐规模放大的策略和工程考量

随着技术的发展和对生物过程如何发生的了解，高纯度的生物分子可以大规模生产。如今，通过发酵可以生产各种生物产品，如有机酸、生物燃料、生物塑料、生物农药、药品、芳香剂等。然而，这种过程通常比化学途径更为复杂，主要是因为菌体具有特定的物理化学使用需求。此外，为了使生物产品进入市场，需要遵循一些步骤来实施适当的工艺和规模放大。发酵罐是很多生物工艺中使用的中心设备，不同类型的发酵罐技术已被开发用于不同的工艺，其规模放大包括在实验室、中试和工业规模上开发生物工艺。

通常，生物工艺开发将以三种规模进行：实验室、中试，最后是工业规模。该过程首先在实验规模中筛选和确定最佳条件，以便将该工艺转移到更大的规模。这种转移需要适当的条件和性能的再现，这是一个重大挑战，因为通气和搅拌等重要方面对菌体生长至关重要。在这种情况下，需要采用放大策略来维持生物工艺的性能。这些策略基于发酵罐几何结构、搅拌和通气等条件方面的相似性，必须遵循每个生物工艺和所使用菌体的要求。操作条件会显著影响菌体生长，继而影响不同生物分子的生物合成，最后是必须在更高的规模上复制。为此，一个或多个操作因素可以在放大过程中保持恒定，并有可能预测，例如，大型发酵罐的功耗或好氧培养中的通气条件。

通常，生物工艺开发将以三种规模进行：实验室、中试，最后是工业规模。该过程首先在实验规模中筛选和确定最佳条件，以便将该工艺转移到更大的规模。这种转移需要适当的条件和性能的再现，这是一个重大挑战，因为通气和搅拌等重要方面对菌体生长至关重要。在这种情况下，需要采用放大策略来维持生物工艺的性能。这些策略基于发酵罐几何结构、搅拌和通气等条件方面的相似性，必须遵循每个生物工艺和所使用菌体的要求。操作条件会显著影响菌体生长，继而影响不同生物分子的生物合成，最后是必须在更高的规模上复制。为此，一个或多个操作因素可以在放大过程中保持恒定，并有可能预测，例如，大型发酵罐的功耗或好氧培养中的通气条件。

这个过程需要保持一些参数在不同的规模条件下保持恒定(主要是通气和搅拌)，以及发酵罐的几何相似性。中试规模将作为一个示范步骤，用于确定所开发的生物工艺是否可行，并建立无法在实验室中优化的重要参数 (例如，搅拌对剪切力的影响)。随着该项目的经济和技术可行性在中试规模得到证明，生物工艺最终可以达到工业和商业化步骤。将工艺从中试放大到工业规模也将涉及相似标准，以确保成功。因此，生物工艺放大将始终涉及所有规模的发酵罐的设计。这种类型的设备可以被认为是生物工艺的核心，因为它们将支持生物产品生产所需的菌体。因此，根据操作模式、使用的菌体以及可用的资金投入，在所有规模下准确选择发酵罐是至关重要的。

这个过程需要保持一些参数在不同的规模条件下保持恒定(主要是通气和搅拌)，以及发酵罐的几何相似性。中试规模将作为一个示范步骤，用于确定所开发的生物工艺是否可行，并建立无法在实验室中优化的重要参数 (例如，搅拌对剪切力的影响)。随着该项目的经济和技术可行性在中试规模得到证明，生物工艺最终可以达到工业和商业化步骤。将工艺从中试放大到工业规模也将涉及相似标准，以确保成功。因此，生物工艺放大将始终涉及所有规模的发酵罐的设计。这种类型的设备可以被认为是生物工艺的核心，因为它们将支持生物产品生产所需的菌体。因此，根据操作模式、使用的菌体以及可用的资金投入，在所有规模下准确选择发酵罐是至关重要的。

影响规模放大的生物工艺因素：操作模式

生物工艺可以在发酵过程中以不同的方式进行，这取决于微生物在底物消耗、产物形成和可能的抑制方面的需求。总体上看，主要有三种操作模式：批次、补料分批和连续式，它们在操作过程中根据新鲜培养基的补料和/或发酵液的提取而有所不同。最简单的操作模式是批次工艺，在整个发酵过程中不需要添加或提取培养基。因此，由于代谢动力学，培养液不断变化，产生不稳定状态。批次操作模式可以广泛应用于实验室规模的生产初始测试，并筛选生产所需生物分子的最佳条件。与批次发酵类似，在补料分批工艺中不存在发酵液的提取。然而，在发酵过程中会添加新培养基。进料液可以只由碳源组成，也可以由营养液组成，也可以是完全的培养基，这取决于菌体的营养需要，以脉冲 (间歇) 或连续模式输入发酵罐。

补料分批的主要目的是延长菌体生长的对数阶段，从而获得更高的生物量和产品产量。确定开始补液的时间可能具有挑战性，需要进行充分的调查和研究。通常，当碳源达到一定的消耗百分比或从培养基中完全耗尽时，或微生物生长达到最大值时，开始补料，目的是延长这一阶段。补料需要以一个完善的策略进行，以避免培养基和菌体稀释，这将阻碍生物过程的最终产量。在补料分批中另一个决定因素是过程参数的控制。外部营养物质的添加会影响发酵的几个方面：生物量、产物和底物的浓度、溶氧、生长速度等。开环和闭环控制系统是发酵过程中最常用的控制类型；然而，为了保证补料分批的成功，新的策略不断被开发和研究。

在连续操作模式下，发酵罐中既有新鲜培养基的补料，也有发酵液的去除，在整个发酵过程中保持内部稳定状态(恒化状态)，通常保持恒定的体积。

影响规模放大的因素：搅拌、通气和粘度

大多数工业生物发酵过程是在富含宏量和微量营养素的水性培养基中进行的有氧发酵。一般来说，这些发酵液是粘性的，表现得像非牛顿流体。在这些过程中，氧气对于微生物的生长和维持以及生物代谢物的产生至关重要。因此，必须确保系统的氧气供应，并且必须知道发酵液中氧气的转移。在工业好氧工艺中，通气是一个挑战，因为氧气在水中的溶解度很低，需要克服几个扩散障碍才能到达微生物菌体。因此，在规模放大时需要考虑这些因素。在应用发酵罐时，可以采用不同的搅拌和通气系统，以及随发酵时间的粘度控制，为菌体提供所需的氧气、有效的传质和传热、以及发酵罐的均匀性。搅拌将严格取决于所使用的发酵罐的类型。需要考虑菌体类型，因为一些微生物可能比其它微生物对高搅拌速率更敏感。

通气通常由空气压缩机(将空气泵入发酵罐)、空气冷却器 (必要时将空气温度冷却) 和分布器 (将有助于与搅拌系统一起分配发酵罐中的空气) 组成的系统提供。通气速率应由氧气摄取速率 (OUR) 决定，即微生物在一段时间内消耗了多少氧气。另一方面，氧气传递速率 (OTR) 与随时间通过培养基的氧浓度有关，并与传质系数 (kLa) 直接相关。因此，OTR和kLa可以作为放大标准，以保证发酵罐系统的良好通气。搅拌和通气可能导致发酵过程中产生泡沫。此外，由于生物制品的特性，一些生物工艺会形成比其它生物工艺更多的泡沫 (如生物表面活性剂的生产)。因此，由于泡沫会影响空气的扩散，因此在设计发酵罐时，必须考虑适当的顶空尺寸，并在必要时安装泡沫形成控制系统，添加防泡沫物质。

粘度是影响通气的另一个参数，培养基粘度的增加会影响OTR、气泡的聚集和分布。粘度可以由固体存在、微生物生物量的提高和产物形成引起，特别是当产品是粘性时。在这些情况下，随着时间的推移，发酵肉汤变得更粘稠，搅拌和通气成为关键因素，需要在实验室和中试规模上进行优化，然后再进行工业实施。研究不同搅拌桨配置和不同的通气率是生物工艺成功的必要条件。

相似性的标准

除了为放大生物工艺而建立的所有关系外，放大最终依赖于相似性。已开发的生物工艺和/或发酵罐将具有一些条件、参数、关系和/或比率，这些条件、参数、关系和/或比率需要在所有规模上相等，以使工艺具有可重复性和可行性，从而实现相同的目标，即以高产率生产特定的生物分子。因此，不仅需要在实验规模上建立一个完善和优化的工艺，而且还需要在规模放大时保持这些条件。显然，维持不同规模之间的所有特征是不可能的，但其中一些特征是不可或缺的。这些相似性可以是：化学和生化，机械，热学以及几何方面的。

随不同规模必须保持的主要几何比例是罐高度(H) 与直径 (D) 之比，该比例随发酵罐的类型而变化。一般来说，较高的H:D比意味着发酵罐中较高的非均质性，因为搅拌可以在不同的点 (顶部和底部) 受到影响。因此，在设计大型发酵罐时需要考虑这一比例 (对于搅拌罐，通过改变搅拌桨的数量和/或距离，要求搅拌桨能够覆盖系统中的所有点)。其它可以确定的关系是液体 (HL) 和反应器 (HR) 高度之间的关系，需要介于0.7和0.8之间，以确保适当的顶空和泡沫形成。此外还有搅拌罐中搅拌桨 (DI)、挡板 (Db) 和发酵罐 (Dt)直径之间的关系。这些几何关系在放大时非常有用，建立这些准则很重要。然而，其它生化参数 (如理化特性、微生物生长速率) 也需要考虑在内，同时应用多因子分析进行放大，以实现适当的工艺再现。

一个生物工艺从实验规模开始，在那里，工艺过程的条件被定义和优化。然而，规定的条件必须转移到更大的规模(中试和工业规模)。工艺转移的成功取决于放大策略的正确选择，放大策略基于重要参数，如搅拌和/或通气，这些参数必须在新的规模条件下保持。每一种工艺都有其独特之处，有一些特殊的经验，其与通气/搅拌的完美结合，可促进微生物的最佳生长和所需生物产物的有效生产。选择正确的发酵罐模型和操作模式，并定义一个或多个放大标准的组合，以获得更好的工艺性能也很重要。此外，即使发酵罐的基本设计保持不变，对其进行修改和规模放大的新研究也在不断进行进行，以适应不断演变生物技术产业。

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参考文献：

A.Madhavan, K.B.Arun, R.Sindhu, et al., Customized yeast cell factories for biopharmaceuticals: from cell engineering to process scale up. Microbial Cell Factories, 2021.

J.A.Lee, H.U.Kim, J-G. Na, et al ., Factors affecting the competitiveness of bacterial fermentation. Trends in Biotechnology, 2023.

Y.Chisti, M.M, Young, Fermentation Technology, Bioprocessing, Scale-Up and Manufacture. Biotechnology– The Science and the Business, 1999.