前面两期我们分别介绍了生物反应器和罐体和搅拌装置。这一期文章，我们将在生物反应器的“呼吸道系统”进行探讨。
本期的主题是生物反应器的通气设计。通气设计直接决定了溶解氧（以下简称DO）是否能够满足生物反应器内细胞生长和生产的需要，这个参数也是直接判断一个生物反应器品质的一个关键性的参数。
下面，佰小维将从硬件设计和软件设计两个层面与大家一同探讨。
通气装置的组成
从上图我们可以看到，通气装置是由阀门、流量计、过滤器、气泡分布器组成的。
流量计
根据工艺用途和预算情况，可以选择手动操作的浮子流量计和可以实现自动控制的流量传感器。
浮子流量计虽然需要手调控制流量，但是也是可以实现自动DO控制的。虽然便捷性和精度上跟质量流量控制器MFC有一定的差别。我们来看下浮子流量计和MFC是分别如何实现DO控制的
01 浮子流量计+电磁阀
采用了浮子流量计意味着只能通过操作人员手动去调节进气流量的大小。所以在自动控制的模式下，在无法自动控制进气流量的情况下，可以通过控制进气时间来实现对一定时间内气体量的控制。即在该模式下，我们将时间宽度按照0-100%进行划分，控制系统会根据传感器反馈值和设定值之间的差异控制电磁阀的开启时间在0-100%进行调节。所以采用浮子流量计只能实现相对模糊的自动DO控制，模糊在于过程，生物反应器知道自己干啥了，但是对于操作者的我们表情是这样的~
工艺开发缺少数据，工艺优化和放大也就无从下手，所以，这种方式一般不会用在小试和中试放大阶段的设备上。
02 质量流量控制MFC+电磁阀
MFC可以实现计量和自调节，这就意味着我们可以精确的控制每种气体的流量，并且根据需要任意调节每种气体的流量甚至是混合比例，所以在MFC下我们就产生了多种的通气策略。工艺开发人员根据产品的特性可以选择不同的通气策略达到比较理想的培养效果。
这里我们以BioWill™DCU操作界面为例列举两种策略：富氧通气策略、气体通气比例策略。
● 富氧通气策略：选择空气MFC和氧气MFC级联DO值，首先通过空气MFC的调节来保障DO值，当空气MFC触发设置上限Max值后，会通入纯氧不断对空气进行富化，氧气MFC在Min和Max之间PID调节，从而确保培养基中氧气浓度足够。
● 气体比例策略：同样选择空气MFC和氧气MFC级联DO值，此时不再是先空气触发Max后通氧气了，而是空气+氧气=100%，即空气通气90%的时候，氧气是10%
现在主流的生物反应器控制系统，会将PID的设置权限开发给工艺开发人员。
XP为比例范围，与输入信号成正比，控制响应信号的放大；
TI是积分部分，I越大，控制反应将更慢，反之亦然；
TD是微分部分，D值越大，意味着更大的缓冲控制器响应。
我们可以通过调整PID值来实现工艺优化。这么描述可能比较泛泛，所以佰小维把从藏经阁里顺的“易筋经心法”分享给大家
● 如果DO值波动过大，可以降低P值
● 如果DO老是在设定值的下方徘徊，可以增大P值
● DO上升的速度太慢了，降低I值，如果把D值也调低，那就更快了，可能会导致刹不住车，超上限或下限
● 如果调高I值，顺手把D也加大，那就相当于控制系统将以“三挡”的速度控制通气，稳是稳，就是比较急人
鼓泡器Sparger
通过流量计送过来的气体，需要通过鼓泡器将其分散成气泡，并通过搅拌器将气泡打散。下图展示了氧从气体进入细胞的过程，可以看到氧传递的阻力主要来自于气泡周围的液膜传递阻力。
克服阻力就需要损耗推力。氧的推力是气相与培养基中氧的分压之差。氧的传递系数OTR采用下图的公式。
OTR与传递系数和气液面积成正比，传递系数和气液面积结合起来kLa就是我们常说的体积传质系数。
从上面公式可以看出，体积溶氧系数kLa与表观气速成正比，气速越高kLa越大，但是气速过高又会带来另外一个问题——“液泛”现象。气速过大，会产生太多的泡沫甚至跑料，通气功率的消耗也比较高。如何选择合适的通气流速呢，可以参照下以下的表格
那么问题来了，佰小维叭叭了一堆，这个通气流速跟鼓泡器有什么关系呢？
佰小维嘚瑟一下“莫急”
大家看到，泡越大，上升的速度越快。
所以大泡还是微泡，是个值得深思的问题。
以上三种的气泡分布器都有非常成熟的应用，那我们该如何选择呢，佰小维的总结如下：
● L型：因为气泡分布不对称，存在溶氧分布不均的情况，所以不太适合大规模生产，通常用在50L以内的生物反应器上。
● 环形：广泛应用在各个系列的生物反应器中，出气孔根据罐体容积和通气量的需求，一般控制在0.5~1mm之间。
● 微孔：通常是金属烧结而成，能够提供非常细小的气泡，这意味着更大的气液面积和更小的气泡破碎后的剪切力，所以通常用在对剪切力比较敏感的哺乳动物细胞培养的生物反应器中。
L型和环形的气泡分布器，假如用在了需要进行SIP的不锈钢式生物反应器上，还需要注意一个问题——气泡分布器是否具备了自排净的能力，因为如果SIP后无法自排净，就有可能会导致微生物膜的滋生，会带来后续诸多的问题。
气体除菌过滤器
气体的除菌过滤技术相对比较成熟，所以具体的原理机制就不再累述。这里主要抛出几个问题，与大家进行探讨
● 我们在设计流体过滤器的时候通常会设置冗余保护，但是在生物反应器这么高要求的地方，你会发现，一般很少会去设计两级的气体除菌过滤器，这是为什么？
● 在排气过滤器我们通常都会设置电加热保护，避免水膜堵塞滤芯，但是在进气过滤器，采用这种保护的比较少，为什么？
● 排气过滤器的独立SIP是标配，进气过滤器却是选配项，为什么会考虑？
● 在过滤器后，进罐之前，我们看到有的厂家会配备单向阀，有的不会配备，这分别有什么好处？
● 防止过滤器被培养基反串污染，除了设置单向阀，还有没有其他的方式？
以上五点问题，欢迎大家向佰小维反馈你的看法。