一種新式電冷系統在生物反應器中的應用

宋 臻

（亞翔系統集成科技（蘇州）股份有限公司，江蘇蘇州215126）

0 引言

醫藥產業是國民經濟的重要組成部分，與人民群眾的生命健康和生活質量密切相關。1978—2010年，醫藥工業產值年均增速達到15%以上，規模不斷擴大，目前我國已成為全球最大的藥物制劑生產國。生物制藥作為藥品生產的一種，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，發展也很快。目前，全世界的醫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，而且有更高的經濟效益。在生物制藥中，藥物生產菌投入發酵罐生產，必須經過種子的擴大制備。從斜面到小型發酵罐，最后到不同規格的大型發酵罐，經過逐級放大培養才能最終得到人們需要的生物產品。

在發酵過程中，為了獲取更多的產品，細胞濃度往往都比自然狀態下高很多，由于細胞的呼吸產生熱量，高密度培養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溫度往往比較低（低于室溫），因此冷卻系統成為發酵罐很重要的一個控制系統。

本文以發酵罐冷卻系統為研究對象，著重介紹了新式電冷系統，并將其與其他形式的冷卻系統進行比較。

1 目前常用的冷卻系統

目前，大多數發酵罐的冷卻系統主要有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生的冷水，通過管路連接到發酵罐的冷卻系統上，進而實現低溫控制的一種方法。由于工業冷水機組往往體積比較大，能耗比較高。因此，在小型發酵罐單獨運行時，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酵罐的位置，這種方法對于研發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酵罐的冷卻系統上，利用自來水一般都比室溫低的原理實現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，會出現溫度控制波動。

2 新式電冷系統

新式電冷系統即電冷片冷卻控制法（以下簡稱為方法3）是在發酵罐本地增加了一套電冷系統，只需要用電即可將發酵罐內的反應液降溫，實現溫度控制，和前2種方法相比，具有投資少、可便攜移動、節省能源的優勢。

2.1 電冷片冷卻原理

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，可以實現制冷的目的。電冷片冷卻原理如圖2所示，它是一種產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年法國人珀爾帖發現，當電流流經2個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱的大小由電流的大小來決定。

2.2 應用電冷片發酵罐的組成

應用電冷片的發酵罐主要由以下幾個系統組成（圖3）：發酵罐和冷凝管、電冷和散熱系統、冷水管路系統、控制系統。

圖3 應用電冷片發酵罐的組成

2.2.1 發酵罐和冷凝管

一般小型發酵罐都自帶冷凝管，在方法1和方法2中，需要連接外源冷卻水或自來水，通過換熱管路和內部的反應液換熱降溫。

2.2.2 電冷和散熱系統

電冷和散熱系統由電冷片、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，將冷量帶入發酵罐。發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

冷水管路系統是由發酵罐自帶的冷卻水管散熱片、硅膠軟管、循環水泵和高位儲水罐（200m L）組成。系統運行時，在水泵的作用下，冷水在管路內不斷循環，在電冷片吸收冷量，在發酵罐釋放冷量。高位儲水罐的作用是保證管道內充滿冷媒，不會產生無水空轉的情況。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冷媒溫度，以避免管道結冰。

2.2.4 控制系統

控制系統主要由PLC程序控制（整合到發酵罐控制系統），包含水泵啟?？刂?、溫度傳感器反饋信號，脈沖信號控制固態繼電器，進而控制電冷片的通斷時間，實現精密控溫。

3 新式電冷系統與其他形式的冷卻系統比較

3.1 基本性能比較

新式電冷系統與其他形式的冷卻系統基本性能比較如表1所示。

（1）從表2可知：與方法1相比，方法3可以大大節省初期投資。以3臺5 L發酵罐為例，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，采用固態繼電器控制，按照運行散熱50 W計算，每次發酵只需要50×24×3=3.6 kW·h。

（3）由于方法3不依賴外源水，可隨發酵罐罐體和發酵罐電柜任意搬運，一般藥廠、科研機構的研

表1 新式電冷系統與其他形式的冷卻系統基本性能比較

3.2 投資與運行成本比較

新式電冷系統與其他形式的冷卻系統的投資與運行成本比較如表2所示。發大樓，當出現設備互相調運、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，研發項目多，不可能1個項目對應1臺發酵罐，可以隨意移動的發酵罐就會有很大的優勢。

表2 新式電冷系統與其他形式的冷卻系統投資與運行成本比較

3.3 溫度控制精度比較

新式電冷系統與其他形式的冷卻系統溫度控制精度比較如表3所示。可以降低初期投資成本和運行成本，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，新式電冷系統可以省去外置冷卻水系統，簡化生物反應器裝置，使得便攜式生物

表3 新式電冷系統與其他形式的冷卻系統溫度控制精度比較

由于方法3可以采用固態繼電器控制電冷片，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。

4 結語

采用新式電冷系統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的3～5℃精確到0.5℃以下。