宋 臻
(亞翔系統(tǒng)集成科技(蘇州)股份有限公司,江蘇蘇州215126)
醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的重要組成部分,與人民群眾的生命健康和生活質(zhì)量密切相關。1978—2010年,醫(yī)藥工業(yè)產(chǎn)值年均增速達到15%以上,規(guī)模不斷擴大,目前我國已成為全球最大的藥物制劑生產(chǎn)國。生物制藥作為藥品生產(chǎn)的一種,是指運用微生物學、生物學、生物化學等的研究成果,綜合利用微生物學、生物化學、生物技術等科學的原理和方法制造的一類用于預防、治療和診斷的制品。
生物藥物的陣營很龐大,發(fā)展也很快。目前,全世界的醫(yī)藥品已有一半是生物合成的,特別是在合成分子結構復雜的藥物時,它不僅比化學合成法簡便,而且有更高的經(jīng)濟效益。在生物制藥中,藥物生產(chǎn)菌投入發(fā)酵罐生產(chǎn),必須經(jīng)過種子的擴大制備。從斜面到小型發(fā)酵罐,最后到不同規(guī)格的大型發(fā)酵罐,經(jīng)過逐級放大培養(yǎng)才能最終得到人們需要的生物產(chǎn)品。
在發(fā)酵過程中,為了獲取更多的產(chǎn)品,細胞濃度往往都比自然狀態(tài)下高很多,由于細胞的呼吸產(chǎn)生熱量,高密度培養(yǎng)過程中就需要從外部引入冷源,以維持恒定的溫度。另外,由于大腸桿菌、酵母菌等原核生物培養(yǎng)溫度往往比較低(低于室溫),因此冷卻系統(tǒng)成為發(fā)酵罐很重要的一個控制系統(tǒng)。
本文以發(fā)酵罐冷卻系統(tǒng)為研究對象,著重介紹了新式電冷系統(tǒng),并將其與其他形式的冷卻系統(tǒng)進行比較。
目前,大多數(shù)發(fā)酵罐的冷卻系統(tǒng)主要有2種形式:外源冷卻水控制方法(以下簡稱為方法1)和自來水控制方法(以下簡稱為方法2)。
外源冷卻水控制法(方法1),一般是利用冷水機組產(chǎn)生的冷水,通過管路連接到發(fā)酵罐的冷卻系統(tǒng)上,進而實現(xiàn)低溫控制的一種方法。由于工業(yè)冷水機組往往體積比較大,能耗比較高。因此,在小型發(fā)酵罐單獨運行時,其投資、消耗都不劃算,而且需要相對較長的冷水管路從冷水機引到小型發(fā)酵罐的位置,這種方法對于研發(fā)實驗室或者距離冷水機較遠的地方會非常不便。
自來水冷卻控制法(方法2),利用自來水直接連接到小型發(fā)酵罐的冷卻系統(tǒng)上,利用自來水一般都比室溫低的原理實現(xiàn)低溫控制的一種方法,這種方法比方法1的好處是省去了冷水設備和冷水管路的投資,缺陷是浪費水,而且自來水受一年四季溫度變化影響比較大,會出現(xiàn)溫度控制波動。
新式電冷系統(tǒng)即電冷片冷卻控制法(以下簡稱為方法3)是在發(fā)酵罐本地增加了一套電冷系統(tǒng),只需要用電即可將發(fā)酵罐內(nèi)的反應液降溫,實現(xiàn)溫度控制,和前2種方法相比,具有投資少、可便攜移動、節(jié)省能源的優(yōu)勢。
電冷片,半導體制冷片(圖1),也叫熱電制冷片,是一種熱泵,利用半導體材料的Peltier效應,當直流電通過2種不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時,在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實現(xiàn)制冷的目的。電冷片冷卻原理如圖2所示,它是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術,其特點是無運動部件,可靠性也比較高。
圖1 半導體制冷片
圖2 電冷片冷卻原理
其中,珀爾帖(Peltier)效應是由1834年法國人珀爾帖發(fā)現(xiàn),當電流流經(jīng)2個不同導體形成的接點時,接點處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象,放熱或吸熱的大小由電流的大小來決定。
應用電冷片的發(fā)酵罐主要由以下幾個系統(tǒng)組成(圖3):發(fā)酵罐和冷凝管、電冷和散熱系統(tǒng)、冷水管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。
圖3 應用電冷片發(fā)酵罐的組成
2.2.1 發(fā)酵罐和冷凝管
一般小型發(fā)酵罐都自帶冷凝管,在方法1和方法2中,需要連接外源冷卻水或自來水,通過換熱管路和內(nèi)部的反應液換熱降溫。
2.2.2 電冷和散熱系統(tǒng)
電冷和散熱系統(tǒng)由電冷片、散熱片、散熱風扇、冷水換熱片組成,電冷片在通電的情況下一邊放熱一邊制冷,制冷側連接冷水換熱片,通過冷水管路循環(huán),將冷量帶入發(fā)酵罐。發(fā)熱一側通過散熱片和散熱風扇,直接將熱量散入空氣。
2.2.3 冷水管路系統(tǒng)
冷水管路系統(tǒng)是由發(fā)酵罐自帶的冷卻水管散熱片、硅膠軟管、循環(huán)水泵和高位儲水罐(200m L)組成。系統(tǒng)運行時,在水泵的作用下,冷水在管路內(nèi)不斷循環(huán),在電冷片吸收冷量,在發(fā)酵罐釋放冷量。高位儲水罐的作用是保證管道內(nèi)充滿冷媒,不會產(chǎn)生無水空轉(zhuǎn)的情況。在有特殊要求的時候,冷媒可以采用乙二醇溶液,這樣可以獲得更低的循環(huán)冷媒溫度,以避免管道結冰。
2.2.4 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要由PLC程序控制(整合到發(fā)酵罐控制系統(tǒng)),包含水泵啟??刂?、溫度傳感器反饋信號,脈沖信號控制固態(tài)繼電器,進而控制電冷片的通斷時間,實現(xiàn)精密控溫。
新式電冷系統(tǒng)與其他形式的冷卻系統(tǒng)基本性能比較如表1所示。
(1)從表2可知:與方法1相比,方法3可以大大節(jié)省初期投資。以3臺5 L發(fā)酵罐為例,按照方法1,初期需要投資1臺冷水機組和部分管路,如果冷水機組是專供,則最少需要10 000元左右的投資。對于單臺80 000~100 000元的發(fā)酵罐來說,額外的投資比較大。
(2)從表2可知:與方法2相比,方法3可以大大節(jié)省運行費用。由于方法2采用自來水冷卻,需要不斷地提供自來水,按照自來水流量100 L/h計算,方法2每次發(fā)酵(按照3天計算)就需要損失7.2m3水。而方法3采用電冷系統(tǒng),采用固態(tài)繼電器控制,按照運行散熱50 W計算,每次發(fā)酵只需要50×24×3=3.6 kW·h。
(3)由于方法3不依賴外源水,可隨發(fā)酵罐罐體和發(fā)酵罐電柜任意搬運,一般藥廠、科研機構的研
表1 新式電冷系統(tǒng)與其他形式的冷卻系統(tǒng)基本性能比較
新式電冷系統(tǒng)與其他形式的冷卻系統(tǒng)的投資與運行成本比較如表2所示。發(fā)大樓,當出現(xiàn)設備互相調(diào)運、交互使用的時候,方法3具有一定的便攜性。尤其對于科研機構,研發(fā)項目多,不可能1個項目對應1臺發(fā)酵罐,可以隨意移動的發(fā)酵罐就會有很大的優(yōu)勢。
表2 新式電冷系統(tǒng)與其他形式的冷卻系統(tǒng)投資與運行成本比較
新式電冷系統(tǒng)與其他形式的冷卻系統(tǒng)溫度控制精度比較如表3所示??梢越档统跗谕顿Y成本和運行成本,其中初期投資比方法1要減少5 000元/臺,運行費用更是低到可以忽略不計。另外,新式電冷系統(tǒng)可以省去外置冷卻水系統(tǒng),簡化生物反應器裝置,使得便攜式生物
表3 新式電冷系統(tǒng)與其他形式的冷卻系統(tǒng)溫度控制精度比較
由于方法3可以采用固態(tài)繼電器控制電冷片,與方法1、方法2中的自動開關閥或手動閥控制比較,其控制精度更高,可以達到0.5℃以下。
采用新式電冷系統(tǒng)應用于小型生物反應器中,反應器成為可能,同時溫度控制精度可以由傳統(tǒng)的3~5℃精確到0.5℃以下。