在生物制藥與發(fā)酵工業(yè)中，生物反應(yīng)釜作為核心設(shè)備，其過程控制的精確性直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。而氣體流量控制，特別是對進(jìn)氣中氧氣、二氧化碳等氣體的精準(zhǔn)測量與調(diào)節(jié)，是影響細(xì)胞生長代謝與產(chǎn)物合成的關(guān)鍵因素。愛拓利（Aitoly）氣體流量計(jì)憑借其高精度、穩(wěn)定性和出色的抗干擾能力，為此類應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持。

一、 為何生物反應(yīng)釜需要精準(zhǔn)的氣體流量控制

生物反應(yīng)釜（也稱發(fā)酵罐）在培養(yǎng)微生物、動(dòng)物或人類細(xì)胞時(shí)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、活的系統(tǒng)。細(xì)胞在整個(gè)過程中不斷地消耗養(yǎng)分、排出代謝廢物，并對環(huán)境變化（如pH、溶氧）極為敏感。

溶解氧（DO）的精確控制：在大多需氧發(fā)酵過程中，氧氣是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸、合成目標(biāo)產(chǎn)物的必需物質(zhì)。然而氧氣在水中的溶解度很低，并且隨著細(xì)胞密度的增加，溶氧會(huì)迅速成為限制性因素，導(dǎo)致細(xì)胞代謝停滯或死亡。因此，必須根據(jù)細(xì)胞生長的不同階段，精確控制通入空氣或氧氣的流量，以維持溶氧水平。相關(guān)研究顯示，在BioFlo 110等生物反應(yīng)系統(tǒng)中，對進(jìn)氣量的精確控制是保證溶解氧維持在設(shè)定水平（如30%飽和度）的關(guān)鍵。

pH值的穩(wěn)定維持：很多細(xì)胞培養(yǎng)過程需要穩(wěn)定的pH環(huán)境。通入的二氧化碳?xì)怏w 除了作為某些細(xì)胞的碳源，更常用于中和代謝產(chǎn)生的堿性物質(zhì)，通過與碳酸鹽緩沖系統(tǒng)相互作用來精確調(diào)控pH值。

 代謝廢物的移除與過程監(jiān)控：細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的二氧化碳 等氣體的排出速率，是反映細(xì)胞代謝活性的重要指標(biāo)。通過監(jiān)測進(jìn)出氣體的流量和成分，可以實(shí)時(shí)估算細(xì)胞的生長狀態(tài)，為過程優(yōu)化和控制提供依據(jù)。

二、 愛拓利氣體流量計(jì)的精準(zhǔn)性如何實(shí)現(xiàn)

愛拓利旗下的MFM330氣體質(zhì)量流量計(jì) 和MFC330氣體質(zhì)量流量控制器 等熱式產(chǎn)品，其技術(shù)設(shè)計(jì)充分滿足了生物反應(yīng)釜對氣體流量測量的苛刻要求。

1. 核心工作原理與優(yōu)勢

愛拓利氣體流量計(jì)采用熱式質(zhì)量流量測量原理。該原理直接測量氣體帶走熱量的能力，從而計(jì)算出氣體的質(zhì)量流量。這與基于體積測量的傳統(tǒng)流量計(jì)相比，優(yōu)勢明顯：

直接測量質(zhì)量流量，無需溫壓補(bǔ)償：避免了因氣體溫度、壓力波動(dòng)帶來的測量誤差，測量結(jié)果更直接、更準(zhǔn)確。

高精度與高重復(fù)性：以MFM330為例，其準(zhǔn)確度可達(dá)±0.5% F.S.（滿量程），重復(fù)精度更是高達(dá)±0.2% F.S.。這對于需要精確控制氣體配比的生物過程至關(guān)重要。

寬流量范圍：流量規(guī)格覆蓋從微升級的0-5 SCCM 到大流量的0-50 SLPM，能夠適應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室小型反應(yīng)器到中試生產(chǎn)的不同規(guī)模需求。

快速的響應(yīng)能力：傳感器響應(yīng)時(shí)間小于1秒，可以迅速響應(yīng)生物反應(yīng)釜內(nèi)因細(xì)胞代謝變化導(dǎo)致的溶氧波動(dòng)，使控制系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整。 

2. 針對生物應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)特性

內(nèi)置溫度和壓力傳感器：進(jìn)一步提高了測量的綜合精度和可靠性。

多種通訊接口：支持RS232、CAN、RS485、4-20mA、0-5V模擬信號等多種通訊方式，可以輕松集成到生物反應(yīng)釜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)（如BioFlo 110/320使用的LabVIEW系統(tǒng)）中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)。

優(yōu)異的材質(zhì)兼容性：氣路接觸部件通常采用SUS316L不銹鋼，密封件為氟橡膠。這些材料具有良好的生物相容性和耐腐蝕性，能滿足無菌環(huán)境的要求，并耐受培養(yǎng)過程中可能使用的多種氣體。

無可移動(dòng)部件：設(shè)計(jì)堅(jiān)固，降低了故障率，減少了維護(hù)需求。

三、 在生物反應(yīng)釜上的典型應(yīng)用場景

在實(shí)際的生物工藝中，愛拓利氣體流量計(jì)/控制器發(fā)揮著多重作用：

空氣流量的精確控制：在好氧發(fā)酵（如Gibberellic Acid的批量發(fā)酵）中，根據(jù)溶氧電極的反饋信號，自動(dòng)調(diào)節(jié)MFM/MFC的閥門開度，改變空氣流量（例如從初始的0.5 SLPM提升至1 SLPM），以維持設(shè)定的溶氧水平。

氧氣、氮?dú)?、二氧化碳的混合與調(diào)控：

在細(xì)胞高密度培養(yǎng)時(shí)，若空氣無法滿足溶氧需求，需補(bǔ)充純氧。流量計(jì)可精確控制氧氣混合比例。

在需要控制pH時(shí)，精確注入二氧化碳。

在厭氧發(fā)酵或需要驅(qū)除氧氣時(shí)，精確控制氮?dú)饬魉?，?chuàng)造無氧環(huán)境。

過程分析與優(yōu)化：通過精確記錄整個(gè)過程中各種氣體的累積消耗量，結(jié)合尾氣分析，可以計(jì)算出攝氧率（OUR） 和二氧化碳釋放率（CER） 等關(guān)鍵生理參數(shù)，為優(yōu)化工藝配方和放大生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

四、 應(yīng)用實(shí)例與效果

在一項(xiàng)關(guān)于磁螺菌（M. gryphiswaldense）生產(chǎn)磁小體的研究中，研究人員使用了集成氣體控制系統(tǒng)的BioFlo 110發(fā)酵罐。過程控制顯示，初始設(shè)定空氣流量為0.5 SLPM，當(dāng)溶氧下降至15%時(shí)，系統(tǒng)將空氣流量提升至1 SLPM，并隨后通過調(diào)節(jié)攪拌速度將溶氧精確維持在0-1%的極低范圍內(nèi)，以滿足該菌株的特殊微需氧環(huán)境要求。這種對通氣的精確編程和穩(wěn)定控制，是成功實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)和高效產(chǎn)物合成的基石。愛拓利氣體流量計(jì)在此類應(yīng)用中，正是扮演了確保氣體輸入精確按需執(zhí)行的關(guān)鍵角色。

總結(jié)

愛拓利氣體流量計(jì)憑借其熱式質(zhì)量流量測量技術(shù)帶來的高精度、快響應(yīng)和穩(wěn)定性，契合了現(xiàn)代生物反應(yīng)釜對氣體流量控制的核心需求。它在溶解氧精確調(diào)控、pH穩(wěn)定維持以及過程代謝監(jiān)控等方面的精準(zhǔn)應(yīng)用，不僅保障了生物工藝的重復(fù)性和可靠性，更是推動(dòng)生物制藥、食品發(fā)酵、生物能源等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效生產(chǎn)和工藝優(yōu)化的重要技術(shù)支撐。