生物工程设备_第六章生物反应器的比拟放大
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生物反应器的规模放大技术研究在生物工程领域,生物反应器的规模放大是将实验室或小规模的生物技术过程转化为大规模工业生产的关键步骤。
这一过程并非简单地按比例增加反应器的尺寸,而是涉及到一系列复杂的技术问题和挑战。
生物反应器的规模放大旨在提高生产效率、降低成本,并保证产品质量的一致性和稳定性。
然而,从小规模到大规模的转变过程中,许多因素会发生显著变化,如传质、传热、混合效果等。
首先,传质是一个重要的考虑因素。
在小规模反应器中,物质的传递通常较为迅速和均匀,而在大规模反应器中,由于体积增大,物质的扩散距离增加,导致传质效率降低。
例如,氧气的供应对于细胞培养至关重要,如果传质不足,可能会限制细胞的生长和代谢,从而影响产物的产量和质量。
其次,传热也是一个关键问题。
大规模反应器中产生的热量更多,如果不能有效地散去热量,会导致局部温度过高,影响生物反应的正常进行,甚至可能导致细胞死亡或酶失活。
混合效果在规模放大中同样不容忽视。
良好的混合能够确保反应体系中各组分均匀分布,维持稳定的反应环境。
但随着反应器规模的增大,混合难度增加,容易出现浓度梯度和温度梯度,从而影响反应的均一性。
为了解决这些问题,研究人员采用了多种策略和技术。
在传质方面,改进通气方式是常见的方法之一。
例如,采用微泡曝气、膜曝气等技术,可以提高氧气的传质效率。
同时,优化搅拌桨的设计和转速,增强流体的流动和混合,有助于改善传质效果。
对于传热问题,设计高效的热交换系统是关键。
可以采用夹套式、盘管式或外置换热器等方式,增加传热面积,提高散热效率。
此外,选择合适的冷却介质和控制其流速也能对传热效果产生重要影响。
在混合方面,通过模拟和实验研究,优化搅拌桨的类型、数量、安装位置和角度等参数,以实现更好的混合效果。
此外,采用多桨组合、分段搅拌等方式也可以提高混合的均匀性。
除了上述物理因素,生物因素在规模放大中也需要考虑。
不同规模下,细胞或微生物的生长环境和代谢行为可能会发生变化。
生物反应器的放大与控制1.3生物反应器的放大1.3.1引言生物工程技术的最终目标是为人类提供服务,创造社会和经济效益,因此一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产之至成为商品的一系列过程。
这一系列过程可分为三个阶段:1.实验室阶段——基本生物细胞的筛选和培养基的研究,摇瓶培养或1——3L反应器进行2.中试阶段——小型反应器5——500L规模,环境因数最佳操作条件研究。
3.工厂化规模——实验生产至商业化生产,提供产品并获经济效益。
以上同一发酵生产,规模不同,生物反应相同,但反应溶液的混合状态、传质与供热速率等不尽相同,细胞生长与代谢产物生成的速率也有差别。
1.3.2生物反应器的放大:1)定义:生物反应器的放大就是在生物反应器放大过程中,也就是以中试反应设备的实验数据为依据,设计制造大规模反应系统以进行工业规模生产。
2)放大的核心问题和目的(1)核心问题:生物反应器中有三种重要的过程:热量传递过程,微观动力学过程(主要指生物反应的速率问题,特别是细胞生长速率,各种基质组分消耗的速率、代谢产物的生成速率等),质量传递过程。
其中核心问题是传质过程,其中限制性的传质速率就是气态氧向液相中传递(溶解)的速率。
(氧的传递通常是气相的氧先溶在发酵液中再传递给菌体。
为什么氧的溶解速率为限制性速率??请看书中19页的表1-4)(2)放大的目的或指标维持中试所得到的最佳的细胞生长速率,产物的生成速率。
3)生物反应器的放大原则生物反应器的类型很多,所使用的体系也各异。
因此生物反应器的放大是比较复杂的。
书中介绍的是机械搅拌发酵罐的一些经验放大方法。
需要注意的是运用不同的放大原则,放大后罐的操作条件是不一样的。
看书中27页得表1-7.这说明在放大中选用什么准则是要积累较多的经验的。
1.4生物反应器的检测和控制1.4.1引言根据目前人们对生物反应过程的理解,生物反应器的检测和控制对象主要包括三个部分的参数,即,(1)生物反应进程的物理条件,如温度、压力、搅拌速度等;(2)生物反应器进程中的化学条件,如液相pH,氧气和二氧化碳的浓度等;(3)生物反应器进程中的生化参数,如生物体量,生物体营养和代谢产物浓度等。