宋 臻

（亞翔系統(tǒng)集成科技（蘇州）股份有限公司，江蘇蘇州215126）

0 引言

醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)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(guān)。1978—2010年，醫(yī)藥工業(yè)產(chǎn)值年均增速達(dá)到15%以上，規(guī)模不斷擴(kuò)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(yùn)用微生物學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)等的研究成果，綜合利用微生物學(xué)、生物化學(xué)、生物技術(shù)等科學(xué)的原理和方法制造的一類用于預(yù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物時(shí)，它不僅比化學(xué)合成法簡便，而且有更高的經(jīng)濟(jì)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(kuò)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(xì)胞濃度往往都比自然狀態(tài)下高很多，由于細(xì)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(gè)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(jìn)行比較。

1 目前常用的冷卻系統(tǒng)

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(jī)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)低溫控制的一種方法。由于工業(yè)冷水機(jī)組往往體積比較大，能耗比較高。因此，在小型發(fā)酵罐單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，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(jī)引到小型發(fā)酵罐的位置，這種方法對于研發(fā)實(shí)驗(yàn)室或者距離冷水機(jī)較遠(yuǎn)的地方會(huì)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(shí)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(shè)備和冷水管路的投資，缺陷是浪費(fèi)水，而且自來水受一年四季溫度變化影響比較大，會(huì)出現(xiàn)溫度控制波動(dòng)。

2 新式電冷系統(tǒng)

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(yīng)液降溫，實(shí)現(xiàn)溫度控制，和前2種方法相比，具有投資少、可便攜移動(dòng)、節(jié)省能源的優(yōu)勢。

2.1 電冷片冷卻原理

電冷片，半導(dǎo)體制冷片（圖1），也叫熱電制冷片，是一種熱泵，利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過2種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)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(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。

圖1 半導(dǎo)體制冷片

圖2 電冷片冷卻原理

其中，珀?duì)柼≒eltier）效應(yīng)是由1834年法國人珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流流經(jīng)2個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)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。

2.2 應(yīng)用電冷片發(fā)酵罐的組成

應(yīng)用電冷片的發(fā)酵罐主要由以下幾個(gè)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(yīng)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(yīng)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(fēng)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(cè)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(cè)通過散熱片和散熱風(fēng)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(chǔ)水罐（200m L）組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(chǔ)水罐的作用是保證管道內(nèi)充滿冷媒，不會(huì)產(chǎn)生無水空轉(zhuǎn)的情況。在有特殊要求的時(shí)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(jié)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(jìn)而控制電冷片的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精密控溫。

3 新式電冷系統(tǒng)與其他形式的冷卻系統(tǒng)比較

3.1 基本性能比較

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(tái)5 L發(fā)酵罐為例，按照方法1，初期需要投資1臺(tái)冷水機(jī)組和部分管路，如果冷水機(jī)組是專供，則最少需要10 000元左右的投資。對于單臺(tái)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(yùn)行費(fèi)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(jì)算，方法2每次發(fā)酵（按照3天計(jì)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(yùn)行散熱50 W計(jì)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(yùn)，一般藥廠、科研機(jī)構(gòu)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

3.2 投資與運(yùn)行成本比較

新式電冷系統(tǒng)與其他形式的冷卻系統(tǒng)的投資與運(yùn)行成本比較如表2所示。發(fā)大樓，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備互相調(diào)運(yùn)、交互使用的時(shí)候，方法3具有一定的便攜性。尤其對于科研機(jī)構(gòu)，研發(fā)項(xiàng)目多，不可能1個(gè)項(xiàng)目對應(yīng)1臺(tái)發(fā)酵罐，可以隨意移動(dòng)的發(fā)酵罐就會(huì)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(yùn)行成本比較

3.3 溫度控制精度比較

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(yùn)行成本，其中初期投資比方法1要減少5 000元/臺(tái)，運(yùn)行費(fèi)用更是低到可以忽略不計(jì)。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(yīng)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(dòng)開關(guān)閥或手動(dòng)閥控制比較，其控制精度更高，可以達(dá)到0.5℃以下。

4 結(jié)語

采用新式電冷系統(tǒng)應(yīng)用于小型生物反應(yīng)器中，反應(yīng)器成為可能，同時(shí)溫度控制精度可以由傳統(tǒng)的3～5℃精確到0.5℃以下。