生物反应器的温度监控
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生物反应器的温度控制必须考虑到相应的应用条件和生物反应器中的物质情况

在生物产品研发过程中,生物反应器有着非常重要的作用。由于生物反应过程与温度有着密切的联系,因此温度的准确控制就具有最基础性的重要意义。

在生物反应器控制的过程中,精确的温度控制和调节是保障生物产品生产可靠性和稳定性的关键。在单独的生产批次里,由于温度保护的范围很小,保证反应器温度快速上升到规定温度并保持在规定范围内需要付出很大的努力。

批次生产方式中常用的生物反应器类型在向营养液中接种菌苗之前必须保持温度的稳定。因为生物培育为一个高级的放热反应过程,因此所需的大多数生物反应器都要有冷却源;也就是说:需要精确的保持温度稳定不变。

培养过程的要求能够通过搅拌或者加入气体(如氧气、氮气)加速营养液的运动,同时排除生物培养过程中出现的副产品,例如二氧化碳。搅拌也促进了液体的混合,实现了温度的均匀分布,提高均质性。

为了能够利用合适的仪器设备对放热和吸热反应温度进行控制,有许多评判标准需要考虑,首先是确定可靠反应的温度范围:

小型容器(10L或者更小)的温度范围从13℃上升到环境温度(室温为20℃时的理论值为33℃)时,则所使用的循环恒温器应保障在吸热反应、放热反应和静态反应时有足够的承载范围。

当使用的容器较大、需要加热设备时,可以分步进行温度控制。它除了能够按照规定的温度进行加热升温之外,还应考虑它的冷却能力。

当温度下限接近或者低于环境温度、且有着放热反应或者控制冷却的要求时,则循环恒温器应带有冷却器(容器较小时)或较大的循环冷却器。

热容量计算

为了准确地计算所需的热量和制冷数据,必须对热容量(包括比内能)进行确定。比内能计算时应考虑制冷和加热等影响因素,例如营养液、生物反应器、热交换器及其交换介质、软管等。只有在确定了希望的温度范围之后,才能计算出加热和冷却所需的附加时间,以便补偿热传导或者吸热、放热的不足。

安装在营养液中的外部温度传感器也能使温度控制得以简化。利用这一温度传感器,可以采集和控制循环冷却器内部的环境,使最佳条件保持不变,并实现较低的反应设备外部温度。

若循环冷却器没有配备外部温度检测用的传感器且其起始工作温度为20℃时,则它应达到的理论值为10℃。此时,外壳的温度与内部的温度非常接近,两者按一定的比率冷却。而没有外部温度传感器时,一个生产批次的理论温度很难长时间保持在10℃以内。虽然外壳中的流速不是一个重要的评判标准,但出于提高效率的需要优选较高的流速。

有说服力的数据

下面的比内能计算适合于容积为50L的不锈钢反应器,重量100kg,其中壳体中的容量为5L、循环冷却器的容量为7L、软管容量为3L,温度差ΔT为10℃(相当于10K)。

营养液(为了使用和水相同的数据,使用的营养液为水基营养液):

50L=50kg,

50kg×4.187KL(kg·K)×10K=2093.50KJ;

外壳、软管、循环冷却器中的水:

15L=15kg,

15kg×4.187KL/(kg·K)×10K=628.05KJ;

生物反应器:

100kg×0.461KL/(kg·K)×10K=46.00KJ;

需要输入的内能共计:3182.55KJ。

由于循环冷却器的功率一般按瓦小时为单位计算,因此:

3182.55KJ×0.277Wh/KJ=881.57Wh。

为了能够在1h内实现升温10℃,所需的循环冷却器的冷却容量大约为882Wh。为了把比内能换算成不同时间段内的数据,可简单地用时间间隔乘以882Wh。

在上述计算实例中,不仅考虑了热传导的问题,而且也考虑了环境引起的吸热/热损失问题。这些问题都是由于溶液流速缓慢或缺少搅拌、材料导热不良(例如玻璃)以及隔热不足等因素导致的。

传热不良生物反应器的性能优化可利用温度差的方法来计算;也就是说可以利用ΔT来计算外壳中介质与营养液之间高浓度向低浓度所需的能源传递。

为此,就要对外壳中介质的温度进行监控,避免生物菌种培养时的冷冻现象和过热现象。在进行这种温度范围的限制时,要求在规定的时间段内使用最佳的加热或者冷却设备,例如赛默飞世尔科技公司研发生产的ThermoFlex循环冷却器可以连接外部的温度传感器,以避免突发性温度波动对生物菌株培育的影响。

最佳的隔热保温

同样的,向外部环境散发热量或者从外部环境吸收热量的热平衡计算是比较困难的。因为热平衡计算所需考虑的变量很多,其中包括表面积、表面斜度以及实验室的空气温度和气流数据等,因此建议采取有效的隔热保温措施。若没有可能采用隔热保温措施时,应向生产厂家索取辅助加热/冷却能力的数据和注意事项。但无论如何,只要容器的冲压能力允许,泵有着足够流量时,流量数据都应是允许的最高数值。

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