工艺放大所需要的技能

细履平沙

工艺放大包括摇瓶试验放大到小型生物反应器，也包括从小形生物反应器放大到生产级的生物反应器，放大的效果包括放大前后发酵结果能够基本一致，也包括放大后的发酵指标优于放大前；还包括扩大的级数可以有效的降低。
        今天的内容让我们深入讨论发酵工艺放大的影响因素和对放大人才的要求。

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工艺放大包括摇瓶试验放大到小型生物反应器，也包括从小形生物反应器放大到生产级的生物反应器，放大的效果包括放大前后发酵结果能够基本一致，也包括放大后的发酵指标优于放大前；还包括扩大的级数可以有效的降低，传统的广大一般是摇瓶到5L生物反应器，然后再到50L的水平，然后再到1000L水平，然后再到10000L水平，然后再到更大规模的生物反应器，更优的放大是可以减少放大的层级，使用摇瓶放大到１L，然后直接放大到1吨，再直接是最后的生产规模。减少工艺放大可以使产品提前上市，减少研发投入。

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01
工艺放大的影响因素
// 传质与混合


传质是发酵控制重要的内容，生物发酵过程中传质活动和生物反应同时进行，相互影响，良好的传质会提高搅拌效率、以及营养和空气的利用效率，还能够使发酵更加稳定。主要的传质混合过程分为气体的传质，营养的传质和能量的传递。物质在液相内传递主要与发酵罐搅拌桨、空气分布器，档板，发酵罐结构及附件有关系，所以设备的传质与混合需要从多方面进行设计，否则会因为某一方面的不满足，而使放大过程受困。设计的基础靠经验和计算机辅助的液体力学分析，需要很强的数学建模能力
// 剪切

剪切是指在液体层移动方向不同，导致相对移动的各层之间产生的内摩擦力，其方向一般是沿液层面的切线；此处的剪切即包括切向的力，也包括其他方向的力，既包括剪切力，也包括相互碰撞产生的力。包括发酵中的剪切力包括发酵液湍动引起的菌体碰撞，水流交错及搅拌叶与菌体接触带来正向击打或侧面刮擦。这些力一定会带来多重效果，菌团分散，使微生物在培养基内分散的更均匀，获得更充足的营养和空气，另外会引起菌体的损伤，使发酵周期缩短。所以在考虑提高传质和混合的时候，剪切影响必须同时考虑
// 参数实现调节的速率的一致性

参数调节不仅与最终的水平一致有关系，也与调节的速率有关系，不同时间达到设定值对菌体生长和代谢的影响非常大，没有发酵专业背景的设计师根本考虑不到这点，而且在发酵放大时也容易被发酵工程师所忽略。影响调节速率的因素包括PID参数，搅拌调节步长和频次，酸碱浓度，营养浓度等
// 工艺的完备性

研发输出的工艺越全面，放大的依据越充足。研发输出至少有培养基组成，供应商及标准及培养基的灭菌或除菌方法，补料的组成和标准，菌种的保存制备方法，接种量及各参数，也包括补料速率，控制水平和调控原则以及相关的变化趋势图。如果有可能还需要提供研发设备的结构性能参数，以及研发用设备的配制及设置值，还包括异常情况及处理方法

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​03
如何放大？

// 设备的冷模测试

当按照以上原则设计好生物反应器后，需要先进行冷模测试，主要考察：最大升温速率，最大降温速率，最大搅拌速率和最小搅拌上调速度；还要以KLa 为指标衡量设备的传质效果。这些参数与小型生物反应器对照，其性能不应该低于小型生物反应器的水平
// 热模测试

冷模测试结束，就要进行实际工艺的测试，在这个过程要结合参数对小试的参数和当前的参数进行比较，包括参数的峰值大小峰会时刻，谷值大小和谷值时刻，还要比较营养残留、生物量的曲线和产物累积曲线。如果存在较大偏差，要通过这些。参数进行综合分析。当然在这个过程，还要比较参数调节的速率是否存在差异

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// 对放大技术掌握的人才

掌握参数相关分析的发酵工程师，很容易找到不一致引起的原因，然后再指导设备进行优化和工艺的调节，基础的工艺策略一般不会变动，如残糖，残氮，诱导剂浓度，温度，pH；可调节的参数包括接种量的大小，补料包括诱导的时机，溶氧和搅拌策略参考前一篇文章。另外大的发酵罐和小型发酵罐灭菌时长存在的差异也是关键参数，可以摇瓶取样进行差异性比较，如果存在差异一定要调节生产型设备的灭菌工艺，使其与小型生物反应器保持一致

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非常好的总结