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生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)的部署挑戰(zhàn)以及風(fēng)險和安全性評估

工業(yè)規(guī)模的生物工藝是現(xiàn)代世界藥品、保健品、食品和飲料加工行業(yè)大部分生產(chǎn)的基礎(chǔ)。這些工藝的盈利能力越來越多地利用嚴(yán)重依賴于產(chǎn)品產(chǎn)量、滴度和生產(chǎn)力的規(guī)模和范圍經(jīng)濟(jì)。大多數(shù)工藝使用經(jīng)典控制方法進(jìn)行控制，占生物工藝行業(yè)中使用的工業(yè)控制的90%以上。然而，隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，特別是在生物制藥和保健品行業(yè)，生物工藝的監(jiān)測和控制，如轉(zhuǎn)基因生物發(fā)酵和下游工藝變得越來越復(fù)雜，經(jīng)典和一些現(xiàn)代控制系統(tǒng)技術(shù)的不足之處越來越明顯。因此，隨著工藝中的研究復(fù)雜性、非線性和數(shù)字化的增加，迫切需要更有效的先進(jìn)過程控制，同時也需要更容易實現(xiàn)工藝強(qiáng)化和產(chǎn)品產(chǎn)量（無論是質(zhì)量還是數(shù)量）的提升。在本文中，將廣泛討論過程和自動化的工業(yè)方面以及各種商業(yè)控制策略，以深入了解工業(yè)發(fā)展的未來前景以及過程控制和自動化的可能新策略，并特別關(guān)注生物制藥行業(yè)
部署控制策略的挑戰(zhàn)
由于過程可變性高、生物系統(tǒng)的復(fù)雜性、大多數(shù)情況下需要在無菌環(huán)境中操作，以及可用于幫助描述培養(yǎng)狀態(tài)的實時、直接措施相對較少，生物反應(yīng)器控制具有獨特的挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致了一些創(chuàng)新解決方案的開發(fā)，以及需要額外研究和開發(fā)的領(lǐng)域的確定。 
規(guī)模放大的相似性原則 
相似性原則用于生物工藝的規(guī)模放大，但由于不可能同時實現(xiàn)幾何和運動學(xué)相似性，因此面臨著一些實際挑戰(zhàn)。當(dāng)該工藝的基礎(chǔ)物理已知并且各種參數(shù)的相關(guān)性已知時，可以使用Pi -定理推導(dǎo)無量綱的數(shù)字組及其之間的關(guān)系，以執(zhí)行規(guī)模放大過程。由于實現(xiàn)完全相似是不可行的，部分相似往往是設(shè)計者的目標(biāo)。生物工藝在規(guī)模放大過程中也需要生理相似性，這使得生物工藝過程比化學(xué)反應(yīng)器的放大更具挑戰(zhàn)性。生理相似性是指維持在生物反應(yīng)器中維持相似的底物進(jìn)料速率、產(chǎn)品積累/去除速率、生物質(zhì)生長速率、pH 和溫度以及微量和大量營養(yǎng)素濃度的條件，使其與開發(fā)該工藝的實驗室規(guī)模研究一樣。 
對于某些類型的生物反應(yīng)器，如U 環(huán)和氣升環(huán)生物反應(yīng)器，氧傳質(zhì)的放大一直是關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。氧氣傳輸速率和用于良好混合的多個葉輪的使用是用于進(jìn)行傳質(zhì)的一些技術(shù)，并且要進(jìn)行諸如什么值或應(yīng)該是某個葉輪尺寸的考慮。 
生物催化考量 
在生物過程中使用生物催化劑可以以多種方式加速或改進(jìn)該過程，并且結(jié)合系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域的幫助，已經(jīng)證明其可以將規(guī)模擴(kuò)大到中等水平。提高攪拌速度可以促進(jìn)生物反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)；然而，生物催化劑通常對由增加的攪拌速度所引起的剪切場敏感，從而導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。例如，當(dāng)Rushton 渦輪設(shè)置為1000 rpm 時，與 600 rpm 相比，6L CSTR 中青霉素發(fā)酵的特異性生產(chǎn)率（每細(xì)胞干重克數(shù)）大約低50%，這清楚地表明事實上，渦輪速度的提高并不總是能改善反應(yīng)，并且可能反過來由于其它因素而損害生產(chǎn)力。不僅速度，有時傳熱在放大考慮中起著巨大的作用，因為無論是否使用生物催化劑，某些過程確實會由于反應(yīng)器的升溫而受到影響。

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