隨著技術(shù)的發(fā)展和對生物過程如何發(fā)生的了解，高純度的生物分子可以大規(guī)模生產(chǎn)。如今，通過發(fā)酵可以生產(chǎn)各種生物產(chǎn)品，如有機酸、生物燃料、生物塑料、生物農(nóng)藥、藥品、芳香劑等。然而，這種過程通常比化學途徑更為復雜，主要是因為菌體具有特定的物理化學使用需求。此外，為了使生物產(chǎn)品進入市場，需要遵循一些步驟來實施適當?shù)墓に嚭鸵?guī)模放大。發(fā)酵罐是很多生物工藝中使用的中心設備，不同類型的發(fā)酵罐技術(shù)已被開發(fā)用于不同的工藝，其規(guī)模放大包括在實驗室、中試和工業(yè)規(guī)模上開發(fā)生物工藝。

通常，生物工藝開發(fā)將以三種規(guī)模進行：實驗室、中試，最后是工業(yè)規(guī)模。該過程首先在實驗規(guī)模中篩選和確定最佳條件，以便將該工藝轉(zhuǎn)移到更大的規(guī)模。這種轉(zhuǎn)移需要適當?shù)臈l件和性能的再現(xiàn)，這是一個重大挑戰(zhàn)，因為通氣和攪拌等重要方面對菌體生長至關(guān)重要。在這種情況下，需要采用放大策略來維持生物工藝的性能。這些策略基于發(fā)酵罐幾何結(jié)構(gòu)、攪拌和通氣等條件方面的相似性，必須遵循每個生物工藝和所使用菌體的要求。操作條件會顯著影響菌體生長，繼而影響不同生物分子的生物合成，最后是必須在更高的規(guī)模上復制。為此，一個或多個操作因素可以在放大過程中保持恒定，并有可能預測，例如，大型發(fā)酵罐的功耗或好氧培養(yǎng)中的通氣條件。

通常，生物工藝開發(fā)將以三種規(guī)模進行：實驗室、中試，最后是工業(yè)規(guī)模。該過程首先在實驗規(guī)模中篩選和確定最佳條件，以便將該工藝轉(zhuǎn)移到更大的規(guī)模。這種轉(zhuǎn)移需要適當?shù)臈l件和性能的再現(xiàn)，這是一個重大挑戰(zhàn)，因為通氣和攪拌等重要方面對菌體生長至關(guān)重要。在這種情況下，需要采用放大策略來維持生物工藝的性能。這些策略基于發(fā)酵罐幾何結(jié)構(gòu)、攪拌和通氣等條件方面的相似性，必須遵循每個生物工藝和所使用菌體的要求。操作條件會顯著影響菌體生長，繼而影響不同生物分子的生物合成，最后是必須在更高的規(guī)模上復制。為此，一個或多個操作因素可以在放大過程中保持恒定，并有可能預測，例如，大型發(fā)酵罐的功耗或好氧培養(yǎng)中的通氣條件。

這個過程需要保持一些參數(shù)在不同的規(guī)模條件下保持恒定(主要是通氣和攪拌)，以及發(fā)酵罐的幾何相似性。中試規(guī)模將作為一個示范步驟，用于確定所開發(fā)的生物工藝是否可行，并建立無法在實驗室中優(yōu)化的重要參數(shù) (例如，攪拌對剪切力的影響)。隨著該項目的經(jīng)濟和技術(shù)可行性在中試規(guī)模得到證明，生物工藝最終可以達到工業(yè)和商業(yè)化步驟。將工藝從中試放大到工業(yè)規(guī)模也將涉及相似標準，以確保成功。因此，生物工藝放大將始終涉及所有規(guī)模的發(fā)酵罐的設計。這種類型的設備可以被認為是生物工藝的核心，因為它們將支持生物產(chǎn)品生產(chǎn)所需的菌體。因此，根據(jù)操作模式、使用的菌體以及可用的資金投入，在所有規(guī)模下準確選擇發(fā)酵罐是至關(guān)重要的。

這個過程需要保持一些參數(shù)在不同的規(guī)模條件下保持恒定(主要是通氣和攪拌)，以及發(fā)酵罐的幾何相似性。中試規(guī)模將作為一個示范步驟，用于確定所開發(fā)的生物工藝是否可行，并建立無法在實驗室中優(yōu)化的重要參數(shù) (例如，攪拌對剪切力的影響)。隨著該項目的經(jīng)濟和技術(shù)可行性在中試規(guī)模得到證明，生物工藝最終可以達到工業(yè)和商業(yè)化步驟。將工藝從中試放大到工業(yè)規(guī)模也將涉及相似標準，以確保成功。因此，生物工藝放大將始終涉及所有規(guī)模的發(fā)酵罐的設計。這種類型的設備可以被認為是生物工藝的核心，因為它們將支持生物產(chǎn)品生產(chǎn)所需的菌體。因此，根據(jù)操作模式、使用的菌體以及可用的資金投入，在所有規(guī)模下準確選擇發(fā)酵罐是至關(guān)重要的。

影響規(guī)模放大的生物工藝因素：操作模式

生物工藝可以在發(fā)酵過程中以不同的方式進行，這取決于微生物在底物消耗、產(chǎn)物形成和可能的抑制方面的需求?？傮w上看，主要有三種操作模式：批次、補料分批和連續(xù)式，它們在操作過程中根據(jù)新鮮培養(yǎng)基的補料和/或發(fā)酵液的提取而有所不同。最簡單的操作模式是批次工藝，在整個發(fā)酵過程中不需要添加或提取培養(yǎng)基。因此，由于代謝動力學，培養(yǎng)液不斷變化，產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。批次操作模式可以廣泛應用于實驗室規(guī)模的生產(chǎn)初始測試，并篩選生產(chǎn)所需生物分子的最佳條件。與批次發(fā)酵類似，在補料分批工藝中不存在發(fā)酵液的提取。然而，在發(fā)酵過程中會添加新培養(yǎng)基。進料液可以只由碳源組成，也可以由營養(yǎng)液組成，也可以是完全的培養(yǎng)基，這取決于菌體的營養(yǎng)需要，以脈沖 (間歇) 或連續(xù)模式輸入發(fā)酵罐。

補料分批的主要目的是延長菌體生長的對數(shù)階段，從而獲得更高的生物量和產(chǎn)品產(chǎn)量。確定開始補液的時間可能具有挑戰(zhàn)性，需要進行充分的調(diào)查和研究。通常，當碳源達到一定的消耗百分比或從培養(yǎng)基中完全耗盡時，或微生物生長達到最大值時，開始補料，目的是延長這一階段。補料需要以一個完善的策略進行，以避免培養(yǎng)基和菌體稀釋，這將阻礙生物過程的最終產(chǎn)量。在補料分批中另一個決定因素是過程參數(shù)的控制。外部營養(yǎng)物質(zhì)的添加會影響發(fā)酵的幾個方面：生物量、產(chǎn)物和底物的濃度、溶氧、生長速度等。開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)是發(fā)酵過程中最常用的控制類型；然而，為了保證補料分批的成功，新的策略不斷被開發(fā)和研究。

在連續(xù)操作模式下，發(fā)酵罐中既有新鮮培養(yǎng)基的補料，也有發(fā)酵液的去除，在整個發(fā)酵過程中保持內(nèi)部穩(wěn)定狀態(tài)(恒化狀態(tài))，通常保持恒定的體積。

影響規(guī)模放大的因素：攪拌、通氣和粘度

大多數(shù)工業(yè)生物發(fā)酵過程是在富含宏量和微量營養(yǎng)素的水性培養(yǎng)基中進行的有氧發(fā)酵。一般來說，這些發(fā)酵液是粘性的，表現(xiàn)得像非牛頓流體。在這些過程中，氧氣對于微生物的生長和維持以及生物代謝物的產(chǎn)生至關(guān)重要。因此，必須確保系統(tǒng)的氧氣供應，并且必須知道發(fā)酵液中氧氣的轉(zhuǎn)移。在工業(yè)好氧工藝中，通氣是一個挑戰(zhàn)，因為氧氣在水中的溶解度很低，需要克服幾個擴散障礙才能到達微生物菌體。因此，在規(guī)模放大時需要考慮這些因素。在應用發(fā)酵罐時，可以采用不同的攪拌和通氣系統(tǒng)，以及隨發(fā)酵時間的粘度控制，為菌體提供所需的氧氣、有效的傳質(zhì)和傳熱、以及發(fā)酵罐的均勻性。攪拌將嚴格取決于所使用的發(fā)酵罐的類型。需要考慮菌體類型，因為一些微生物可能比其它微生物對高攪拌速率更敏感。

通氣通常由空氣壓縮機(將空氣泵入發(fā)酵罐)、空氣冷卻器 (必要時將空氣溫度冷卻) 和分布器 (將有助于與攪拌系統(tǒng)一起分配發(fā)酵罐中的空氣) 組成的系統(tǒng)提供。通氣速率應由氧氣攝取速率 (OUR) 決定，即微生物在一段時間內(nèi)消耗了多少氧氣。另一方面，氧氣傳遞速率 (OTR) 與隨時間通過培養(yǎng)基的氧濃度有關(guān)，并與傳質(zhì)系數(shù) (kLa) 直接相關(guān)。因此，OTR和kLa可以作為放大標準，以保證發(fā)酵罐系統(tǒng)的良好通氣。攪拌和通氣可能導致發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫。此外，由于生物制品的特性，一些生物工藝會形成比其它生物工藝更多的泡沫 (如生物表面活性劑的生產(chǎn))。因此，由于泡沫會影響空氣的擴散，因此在設計發(fā)酵罐時，必須考慮適當?shù)捻斂粘叽纾⒃诒匾獣r安裝泡沫形成控制系統(tǒng)，添加防泡沫物質(zhì)。

粘度是影響通氣的另一個參數(shù)，培養(yǎng)基粘度的增加會影響OTR、氣泡的聚集和分布。粘度可以由固體存在、微生物生物量的提高和產(chǎn)物形成引起，特別是當產(chǎn)品是粘性時。在這些情況下，隨著時間的推移，發(fā)酵肉湯變得更粘稠，攪拌和通氣成為關(guān)鍵因素，需要在實驗室和中試規(guī)模上進行優(yōu)化，然后再進行工業(yè)實施。研究不同攪拌槳配置和不同的通氣率是生物工藝成功的必要條件。

相似性的標準

除了為放大生物工藝而建立的所有關(guān)系外，放大最終依賴于相似性。已開發(fā)的生物工藝和/或發(fā)酵罐將具有一些條件、參數(shù)、關(guān)系和/或比率，這些條件、參數(shù)、關(guān)系和/或比率需要在所有規(guī)模上相等，以使工藝具有可重復性和可行性，從而實現(xiàn)相同的目標，即以高產(chǎn)率生產(chǎn)特定的生物分子。因此，不僅需要在實驗規(guī)模上建立一個完善和優(yōu)化的工藝，而且還需要在規(guī)模放大時保持這些條件。顯然，維持不同規(guī)模之間的所有特征是不可能的，但其中一些特征是不可或缺的。這些相似性可以是：化學和生化，機械，熱學以及幾何方面的。

隨不同規(guī)模必須保持的主要幾何比例是罐高度(H) 與直徑 (D) 之比，該比例隨發(fā)酵罐的類型而變化。一般來說，較高的H:D比意味著發(fā)酵罐中較高的非均質(zhì)性，因為攪拌可以在不同的點 (頂部和底部) 受到影響。因此，在設計大型發(fā)酵罐時需要考慮這一比例 (對于攪拌罐，通過改變攪拌槳的數(shù)量和/或距離，要求攪拌槳能夠覆蓋系統(tǒng)中的所有點)。其它可以確定的關(guān)系是液體 (HL) 和反應器 (HR) 高度之間的關(guān)系，需要介于0.7和0.8之間，以確保適當?shù)捻斂蘸团菽纬伞４送膺€有攪拌罐中攪拌槳 (DI)、擋板 (Db) 和發(fā)酵罐 (Dt)直徑之間的關(guān)系。這些幾何關(guān)系在放大時非常有用，建立這些準則很重要。然而，其它生化參數(shù) (如理化特性、微生物生長速率) 也需要考慮在內(nèi)，同時應用多因子分析進行放大，以實現(xiàn)適當?shù)墓に囋佻F(xiàn)。

一個生物工藝從實驗規(guī)模開始，在那里，工藝過程的條件被定義和優(yōu)化。然而，規(guī)定的條件必須轉(zhuǎn)移到更大的規(guī)模(中試和工業(yè)規(guī)模)。工藝轉(zhuǎn)移的成功取決于放大策略的正確選擇，放大策略基于重要參數(shù)，如攪拌和/或通氣，這些參數(shù)必須在新的規(guī)模條件下保持。每一種工藝都有其獨特之處，有一些特殊的經(jīng)驗，其與通氣/攪拌的完美結(jié)合，可促進微生物的最佳生長和所需生物產(chǎn)物的有效生產(chǎn)。選擇正確的發(fā)酵罐模型和操作模式，并定義一個或多個放大標準的組合，以獲得更好的工藝性能也很重要。此外，即使發(fā)酵罐的基本設計保持不變，對其進行修改和規(guī)模放大的新研究也在不斷進行進行，以適應不斷演變生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

多寧生物全力支持基于各類微生物發(fā)酵的生物生產(chǎn)，包括用于重組蛋白、核酸以及合成生物學相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)。我們的臺式玻璃發(fā)酵罐以及不銹鋼發(fā)酵罐可支持從實驗室工藝開發(fā)到中試和商業(yè)化生產(chǎn)的全面需求，以幫助實現(xiàn)更快、更高效、也更可持續(xù)的生物制造。

DuoBioX? Explore 系列平行玻璃發(fā)酵罐

DuoBioX? Explore 是一款設計領先、性能優(yōu)異、功能齊全并且易于操作的微生物培養(yǎng)反應器系統(tǒng)，用戶只需要一臺電腦就能同時控制1至8臺玻璃罐相互獨立或平行組合運行，這將極大加速工藝開發(fā)進程。DuoBioX? Explore系統(tǒng)適用于生物制藥行業(yè)發(fā)酵工藝的開發(fā)研究。

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不銹鋼微生物發(fā)酵系統(tǒng)

多寧生物利用多年的制造經(jīng)驗為客戶提供15 L、30 L、50 L、100 L模塊化的緊湊型的中試發(fā)酵系統(tǒng)，并為客戶定制200 L及以上的生產(chǎn)用發(fā)酵系統(tǒng)，最高可達萬升規(guī)模。此系列發(fā)酵系統(tǒng)可以廣泛使用于桿菌、球菌、絲狀菌、植物細胞、酵母的培養(yǎng)。多寧生物的專業(yè)技術(shù)和支持團隊可以為客戶提供工藝流程設計、管道施工、系統(tǒng)集成和制造、控制軟件開發(fā)等服務。

優(yōu)勢

• 模塊化設計，節(jié)約空間，占地面積最小化

• 在位滅菌，使用方便，節(jié)省勞動力

• 配置有在位取樣閥，可以進行無菌取樣

• 軸向流攪拌槳和徑向流攪拌槳合理使用提供了高氧傳遞速率，保證高密度培養(yǎng)氧的需求

• 電加熱進行溫控，實現(xiàn)快速升溫和降溫，適用于溫度誘導性產(chǎn)品的生產(chǎn)

• 能進行遠程監(jiān)控和通訊

• 溫度控制采用夾套和罐內(nèi)雙溫度PID控制，控溫穩(wěn)定，精度高，±0.1℃

• 插針式補料口，使用方便，可選配在位滅菌補料閥組

• 標配轉(zhuǎn)子流量計，可選配空氣/氧氣混合器以及質(zhì)量流量計

• 進氣/尾氣過濾器滅菌可獨立進行，滿足培養(yǎng)過程中更換過濾器的要求

• 管道、框架采用開放式設計，使用、維修方便

• 管道采用3A標準，符合GMP和BPE 要求

• 所有閥門或儀表在主界面上可以進行點擊控制，在自動和手動之間進行切換

• 儀表/閥門的控制方式：均可在主控制界面選擇手動控制方式 - 可以手動開關(guān)控制閥門或儀表；或自動控制方式：可以選擇PID控制

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• 軟件能進行參數(shù)設定、顯示控制、檢測參數(shù)、曲線分析、存儲、輸出打印等

• 可設定多級控制和查看權(quán)限

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參考文獻：

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.