一、产品简介

三级中试发酵系统主要用于微生物发酵工艺从实验室小试向中试及更大规模逐级F大的工艺开发与验证。

系统可采用 5L → 50L → 500L 的三级培养配置，将实验室阶段建立的培养工艺逐步向更大规模转移，并在不同培养阶段重新验证pH、DO、搅拌、通气、补料、温度、压力及氧传递等关键过程参数。

与单纯增加发酵罐容积不同，三级工艺放大的重点在于：

小试建立工艺 → 中试验证参数 → 更大规模验证供氧、混合、补料、换热及过程稳定性。

各级培养单元可独立进行过程控制和数据记录，并根据培养对象配置Air/O₂供气、多通道自动补料、DO串级、SIP原位灭菌、压力检测、称重及尾气O₂/CO₂分析等功能。

5L、50L、500L为典型三级组合，具体培养规模和系统配置可根据项目需求确定。

二、三级系统组成

一级培养单元——5L实验室工艺开发

主要用于建立和优化基础培养工艺，包括：pH控制；DO控制；温度；搅拌；通气；补料；消泡；培养时间及过程参数。

该阶段重点是确定菌种基本培养条件和Fed-batch工艺窗口，为后续放大提供基础数据。

二级培养单元——50L中试工艺验证

将实验室阶段建立的工艺向更大规模转移，并重新验证：氧传递能力；搅拌与混合状态；Air/O₂供氧策略；Fed-batch补料方式；pH和DO控制响应；温度及冷却能力；泡沫控制；批次过程稳定性。

50L阶段不是简单复制5L参数，而是用于判断实验室工艺在培养规模增加后是否仍具有可实施性。

三级培养单元——500L放大验证

进一步验证较大培养规模下的：氧需求与供氧能力；混合时间；补料响应；温度与换热能力；罐压及排气条件；高密度培养后期过程负荷；公用工程匹配；批次过程数据。

为后续更大规模工艺设计和设备配置提供过程依据。

三、三级工艺放大逻辑

三级系统的核心不是要求不同规模保持完全相同的转速、通气量或补料速度，而是根据培养对象和工艺要求，对不同规模下的过程条件重新验证。

四、核心过程控制功能

pH在线检测与控制

各培养阶段可配置在线pH检测，根据设定值联动酸、碱补加，实现培养过程pH自动控制。

在工艺放大过程中，还可用于比较不同规模下pH调节响应及补加过程变化。

DO在线监测与串级控制

配置在线DO检测，可根据菌体耗氧变化建立相应控制策略。

根据系统配置可采用：

DO → 搅拌

或：

DO → 搅拌 → Air

对于高耗氧培养，可进一步配置：

DO → 搅拌 → Air → O₂

实际串级顺序及控制范围根据菌种和工艺条件确定。

搅拌控制

各级培养单元均配置相应搅拌系统，可根据：培养液黏度；菌种特性；气体分散；氧传递；剪切要求

确定搅拌方式及运行条件。

气体控制

基础可配置Air供气。

高密度或高耗氧培养可增加O₂，并可根据特殊培养工艺扩展N₂、CO₂等气体。

不同培养规模可根据实际供氧需求配置相应气体流量控制方案。

自动补料

支持Fed-batch培养所需的多通道液体添加，可用于：碳源；氮源；酸；碱；消泡剂；其他营养液。

可根据项目采用恒速、定时、分阶段或程序化补料。

温度控制

通过温度检测和配套加热、冷却系统进行培养温度自动调节。

随着培养规模增加，可进一步验证代谢热和设备热负荷条件下的实际冷却能力。

压力检测与控制

中试及更大培养单元可根据工艺要求配置压力检测和相关控制功能，用于观察不同罐压条件对供氧、排气及培养过程的影响。

SIP原位灭菌

不锈钢培养单元可根据系统设计配置SIP原位灭菌功能，用于罐体及相关工艺管路的灭菌操作。

五、多级过程数据记录与比较

三级系统的价值不仅在于不同规模都能完成培养，还在于能够获得不同培养阶段的过程数据。

各培养单元可根据配置记录：pH；DO；温度；搅拌；通气；O₂补充；补料；压力；其他在线过程参数。

通过比较5L、50L和500L培养批次的过程曲线，可分析工艺放大后哪些参数发生明显变化，并据此调整下一阶段的培养策略。

需要注意：

工艺放大不是将5L的转速、通气量和补料速度按体积比例直接放大，而是重新验证不同规模下的混合、氧传递、补料和热负荷。

六、系统基础组成

具体系统组成根据实际项目技术方案确定。

七、标准功能配置

三级中试发酵系统可根据项目形成相应基础配置，通常包括：培养反应器；机械搅拌系统；温度检测及控制；pH在线检测及控制；DO在线检测；Air供气系统；酸、碱补加；营养液补料；泡沫检测及消泡；进排气过滤；取样系统；不锈钢培养单元SIP功能；PLC及人机操作界面；工艺过程数据记录。

实际标准配置以具体设备技术方案及合同确认内容为准。

八、可选配置

根据菌种和工艺放大研究需要，可增加：Air/O₂富氧控制；N₂/CO₂气体控制；多通道自动补料；DO串级控制；压力检测与控制；尾气O₂/CO₂分析；补料罐称重；在线OD/生物量检测；ORP检测；其他在线过程传感器；数据管理及远程功能。

不同培养阶段可根据实际需要配置不同功能，不要求所有培养单元完全采用相同配置。

九、典型工艺配置方案

方案一：常规微生物培养

建议重点配置：

pH + DO + 温度 + 搅拌 + Air + 基础补料 + 泡沫控制 + SIP

适用于常规细菌、酵母及其他微生物发酵工艺开发。

方案二：高密度Fed-batch培养

建议重点配置：

多通道自动补料 + Air/O₂ + DO串级 + 泡沫控制 + 数据记录

适用于大肠杆菌、酵母等高耗氧、高密度培养。

方案三：工艺放大验证

可进一步配置：

压力检测 + 称重 + 尾气O₂/CO₂ + 多通道补料 + Air/O₂ + 批次数据记录

用于进一步分析不同培养规模下的供氧、补料、代谢状态及过程重复性。

十、工艺放大关键验证参数

发酵工艺放大通常不能只依据单一参数，需要结合实际培养体系综合判断。

这些参数主要用于指导不同培养规模之间的工艺比较，不要求在各级反应器中保持完全相同。

十一、典型应用

三级中试发酵系统可用于：微生物发酵工艺开发；大肠杆菌高密度培养；酵母发酵；Fed-batch工艺研究；酶制剂工艺开发；代谢产物发酵；合成生物学工程菌培养；实验室工艺向中试规模放大；中试工艺向更大规模验证；培养参数优化；工艺重复性研究；高校及科研院所中试实验平台建设。

十二、产品特点

三级连续工艺验证

从实验室小试到中试及更大规模逐级验证，避免只依赖单一培养规模判断工艺可放大性。

各级独立过程控制

不同培养单元可分别进行pH、DO、温度、搅拌、通气及补料控制。

支持高密度Fed-batch

可根据培养阶段配置多通道补料、Air/O₂供氧及DO串级控制。

多规模数据比较

记录不同培养规模的关键过程参数，为工艺调整和进一步放大提供数据依据。

SIP原位灭菌

中试不锈钢培养单元可配置SIP，满足多批次工艺验证需求。

模块化配置

压力、称重、尾气O₂/CO₂、OD、ORP等检测模块可根据项目需求扩展。

十三、选型说明

配置三级中试发酵系统时，建议首先确认以下信息：

培养对象
如大肠杆菌、酵母、其他细菌或特殊微生物。

当前工艺规模
明确目前工艺处于摇瓶、实验室发酵罐还是已有中试阶段。

目标放大规模
确定计划从多大规模放大至多大规模。

培养方式
Batch、Fed-batch或其他培养工艺。

氧需求
确认是否属于高耗氧培养，以及Air是否需要配合O₂使用。

补料工艺
明确碳源、氮源、酸、碱、消泡剂及其他补料要求。

培养液特性
包括黏度、泡沫、固含量以及剪切敏感性等。

公用工程条件
确认现场蒸汽、冷却水、压缩空气及相关条件。

过程检测要求
确认是否需要压力、尾气O₂/CO₂、称重、OD、ORP等扩展检测。

提供：

菌种 + 当前培养规模 + 目标规模 + 培养模式 + 补料策略 + 氧需求 + 公用工程条件

即可进一步确定三级中试发酵系统的容量组合和功能配置。

产品说明

上海顾信生物可根据微生物发酵工艺从实验室小试向中试及更大规模放大的需求，提供多级生物反应器系统配置。

以5L、50L、500L三级系统为例，可集成pH/DO在线检测、机械搅拌、温度控制、Air/O₂供气、多通道自动补料、SIP及过程数据记录，并根据工艺需求扩展压力、称重、尾气O₂/CO₂、OD、ORP等在线检测功能。

针对常规微生物培养、高密度Fed-batch及工艺放大验证，可根据培养对象、规模、耗氧水平、补料方式及现场公用工程条件确定相应系统方案。