一种新式电冷系统在生物反应器中的应用

宋 臻

（亚翔系统集成科技（苏州）股份有限公司，江苏苏州215126）

0 引言

医药产业是国民经济的重要组成部分，与人民群众的生命健康和生活质量密切相关。1978—2010年，医药工业产值年均增速达到15%以上，规模不断扩大，目前我国已成为全球最大的药物制剂生产国。生物制药作为药品生产的一种，是指运用微生物学、生物学、生物化学等的研究成果，综合利用微生物学、生物化学、生物技术等科学的原理和方法制造的一类用于预防、治疗和诊断的制品。

生物药物的阵营很庞大，发展也很快。目前，全世界的医药品已有一半是生物合成的，特别是在合成分子结构复杂的药物时，它不仅比化学合成法简便，而且有更高的经济效益。在生物制药中，药物生产菌投入发酵罐生产，必须经过种子的扩大制备。从斜面到小型发酵罐，最后到不同规格的大型发酵罐，经过逐级放大培养才能最终得到人们需要的生物产品。

在发酵过程中，为了获取更多的产品，细胞浓度往往都比自然状态下高很多，由于细胞的呼吸产生热量，高密度培养过程中就需要从外部引入冷源，以维持恒定的温度。另外，由于大肠杆菌、酵母菌等原核生物培养温度往往比较低（低于室温），因此冷却系统成为发酵罐很重要的一个控制系统。

本文以发酵罐冷却系统为研究对象，着重介绍了新式电冷系统，并将其与其他形式的冷却系统进行比较。

1 目前常用的冷却系统

目前，大多数发酵罐的冷却系统主要有2种形式：外源冷却水控制方法（以下简称为方法1）和自来水控制方法（以下简称为方法2）。

外源冷却水控制法（方法1），一般是利用冷水机组产生的冷水，通过管路连接到发酵罐的冷却系统上，进而实现低温控制的一种方法。由于工业冷水机组往往体积比较大，能耗比较高。因此，在小型发酵罐单独运行时，其投资、消耗都不划算，而且需要相对较长的冷水管路从冷水机引到小型发酵罐的位置，这种方法对于研发实验室或者距离冷水机较远的地方会非常不便。

自来水冷却控制法（方法2），利用自来水直接连接到小型发酵罐的冷却系统上，利用自来水一般都比室温低的原理实现低温控制的一种方法，这种方法比方法1的好处是省去了冷水设备和冷水管路的投资，缺陷是浪费水，而且自来水受一年四季温度变化影响比较大，会出现温度控制波动。

2 新式电冷系统

新式电冷系统即电冷片冷却控制法（以下简称为方法3）是在发酵罐本地增加了一套电冷系统，只需要用电即可将发酵罐内的反应液降温，实现温度控制，和前2种方法相比，具有投资少、可便携移动、节省能源的优势。

2.1 电冷片冷却原理

电冷片，半导体制冷片（图1），也叫热电制冷片，是一种热泵，利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过2种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。电冷片冷却原理如图2所示，它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。

图1 半导体制冷片

图2 电冷片冷却原理

其中，珀尔帖（Peltier）效应是由1834年法国人珀尔帖发现，当电流流经2个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热的大小由电流的大小来决定。

2.2 应用电冷片发酵罐的组成

应用电冷片的发酵罐主要由以下几个系统组成（图3）：发酵罐和冷凝管、电冷和散热系统、冷水管路系统、控制系统。

图3 应用电冷片发酵罐的组成

2.2.1 发酵罐和冷凝管

一般小型发酵罐都自带冷凝管，在方法1和方法2中，需要连接外源冷却水或自来水，通过换热管路和内部的反应液换热降温。

2.2.2 电冷和散热系统

电冷和散热系统由电冷片、散热片、散热风扇、冷水换热片组成，电冷片在通电的情况下一边放热一边制冷，制冷侧连接冷水换热片，通过冷水管路循环，将冷量带入发酵罐。发热一侧通过散热片和散热风扇，直接将热量散入空气。

2.2.3 冷水管路系统

冷水管路系统是由发酵罐自带的冷却水管散热片、硅胶软管、循环水泵和高位储水罐（200m L）组成。系统运行时，在水泵的作用下，冷水在管路内不断循环，在电冷片吸收冷量，在发酵罐释放冷量。高位储水罐的作用是保证管道内充满冷媒，不会产生无水空转的情况。在有特殊要求的时候，冷媒可以采用乙二醇溶液，这样可以获得更低的循环冷媒温度，以避免管道结冰。

2.2.4 控制系统

控制系统主要由PLC程序控制（整合到发酵罐控制系统），包含水泵启停控制、温度传感器反馈信号，脉冲信号控制固态继电器，进而控制电冷片的通断时间，实现精密控温。

3 新式电冷系统与其他形式的冷却系统比较

3.1 基本性能比较

新式电冷系统与其他形式的冷却系统基本性能比较如表1所示。

（1）从表2可知：与方法1相比，方法3可以大大节省初期投资。以3台5 L发酵罐为例，按照方法1，初期需要投资1台冷水机组和部分管路，如果冷水机组是专供，则最少需要10 000元左右的投资。对于单台80 000～100 000元的发酵罐来说，额外的投资比较大。

（2）从表2可知：与方法2相比，方法3可以大大节省运行费用。由于方法2采用自来水冷却，需要不断地提供自来水，按照自来水流量100 L/h计算，方法2每次发酵（按照3天计算）就需要损失7.2m3水。而方法3采用电冷系统，采用固态继电器控制，按照运行散热50 W计算，每次发酵只需要50×24×3=3.6 kW·h。

（3）由于方法3不依赖外源水，可随发酵罐罐体和发酵罐电柜任意搬运，一般药厂、科研机构的研

表1 新式电冷系统与其他形式的冷却系统基本性能比较

3.2 投资与运行成本比较

新式电冷系统与其他形式的冷却系统的投资与运行成本比较如表2所示。发大楼，当出现设备互相调运、交互使用的时候，方法3具有一定的便携性。尤其对于科研机构，研发项目多，不可能1个项目对应1台发酵罐，可以随意移动的发酵罐就会有很大的优势。

表2 新式电冷系统与其他形式的冷却系统投资与运行成本比较

3.3 温度控制精度比较

新式电冷系统与其他形式的冷却系统温度控制精度比较如表3所示。可以降低初期投资成本和运行成本，其中初期投资比方法1要减少5 000元/台，运行费用更是低到可以忽略不计。另外，新式电冷系统可以省去外置冷却水系统，简化生物反应器装置，使得便携式生物

表3 新式电冷系统与其他形式的冷却系统温度控制精度比较

由于方法3可以采用固态继电器控制电冷片，与方法1、方法2中的自动开关阀或手动阀控制比较，其控制精度更高，可以达到0.5℃以下。

4 结语

采用新式电冷系统应用于小型生物反应器中，反应器成为可能，同时温度控制精度可以由传统的3～5℃精确到0.5℃以下。