第七章 生物反应器的放大讲解

反应器放大的目的是增加产量，同时保持相似的产品质量。

这意味着必须跨规模保持相当的细胞特异性生产力、细胞密度和活性以及细胞代谢。

为了实现这一点，尽可能多的操作参数必须保持不变。

在工艺放大过程中，温度、pH、溶氧设定点和补液策略等与规模无关的变量很容易保持不变（表1）。

然而，与规模相关的参数，如搅拌、叶轮叶尖速度、混合时间、雷诺数和通气流速，在整个放大过程中不能同时保持不变。

这是因为它们对搅拌速度、叶轮直径和容器直径具有不同的依赖性。

最终，这些参数会影响运营成本、培养异质性、气体转移特性以及施加于细胞的剪切应力。

从本质上讲，生物反应器的放大涉及多方面的权衡和妥协。

表1 规模无关变量和规模依赖性变量虽然搅拌罐生物反应器的体积功率输入通常保持在10-80 W/m3 的范围内，但其它因素，即混合速度、混合时间、叶轮叶尖速度和雷诺数，根据生产规模的不同而有不同的值。

如（表2）所示，搅拌速度随着规模的增加而降低。

然而，由于叶轮尺寸增加，叶轮叶尖速度和雷诺数遵循相反的趋势。

最后，由于容器直径的增加，混合时间也随着规模的增加而增加。

表2 不同生产规模下规模相关参数的典型值Part1、几何相似性几何相似性通常是用于放大生物反应器的第一个标准。

如果罐直径增加，所有其它长度（罐高度、叶轮直径和叶轮宽度）都会增加相同的比例因子。

一般来说，用于细胞培养的生物反应器罐的高径比(H/D) 对于台式生物反应器为1-2，对于中试和工业规模的生物反应器为2-3。

然而，保持H/D 会影响与表面和体积相关的因素，例如热传递、气体传递和混合。

由于在罐壁上发生热交换，每单位体积的热传递随着体积的增加而减少。

恒定的H/D 纵横比也将显著降低表面积与体积比(Ac/V)，从而降低表面通气对O2和CO2汽提的贡献。

因为气体传输速率的重要性以及对混合速度和气体流速的限制，这对于剪切敏感细胞至关重要。

Part 2、动力学相似性和规模放大标准当所有相关力的比率在不同规模上保持不变时，就会存在动态相似性，从而导致，例如，相似的流场。

生物反应器的放大名词解释生物反应器放大是在界面反应器中一种重要的技术。

它利用微生物、细胞或其他生物组分来（特定）处理特定的化学物质，从而实现化学分析和生物检测的目的。

生物反应器是一种可以反应出液体、气体、固体放大的系统。

它的使用能够使某种反应的效率大大提高，或者使原本不可能实现的反应变得可能。

生物反应器放大的基本原理是将某种物质（如氧）的数量从较少的量变成较大的量，以改变某种反应的物质平衡，从而改变反应条件，促进反应过程及其产物。

生物反应器放大也能使微生物具有抑制功能，从而抑制有害物质的生成，或者使良性物质的产生量大大增加。

首先，生物反应器放大的工作原理非常复杂，必须在复杂的反应中进行化学反应和生物反应。

为了实现放大，必须利用微生物、细胞或其他生物组分来处理特定的化学物质，以便得到足够数量的放大物质，从而实现放大效果。

在生物反应器放大过程中，已有的反应物质可以通过化学反应放大，而新生成的物质通常也可以作为放大剂参与更多反应过程，实现更强烈的生物反应。

为了实现放大，还可以利用生物反应器放大系统，将某种物质从较少的量变成较大的量，从而实现放大的功能。

其次，生物反应器放大的应用非常广泛。

可以将其用于检测、生物组装、高效率合成和杀菌等。

它可以作为氧化还原反应的放大器，放大原本不够强烈的氧化还原反应，从而提高生物反应的效率。

此外，它还可以作为生物解码器，利用生物反应器对特定的医学物质进行放大，从而用于诊断各种疾病的发生，从而推荐更有效的治疗方法。

总之，生物反应器放大是在界面反应器中一种重要的技术，其基本原理是将某种物质的数量从较少的量变成较大的量，以改变某种反应的物质平衡，从而改变反应条件，促进反应过程及其产物，实现放大效果。

其应用也广泛，可以用于检测、生物组装、高效合成和杀菌等，用于诊断和治疗疾病，以及各种其他应用场合。

第七章生物反应器的放大与控制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直至成为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试，适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。

随着生物产品的生产规模增大，生物加工过程中的关键设备——生物反应器也逐渐增大。

生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。

从小型的实验室生物反应器到生产规模的生物反应器，离不开工艺条件和参数优化。

这时，就要对生物反应器的多项参数进行检测，利用自动化技术实现生物反应过程的最优控制。

本章就生物反应器的放大与计算、生物反应过程的参数检测与控制作一阐述。

第一节生物反应器的放大生物反应过程的工艺和设备改进的研究，首先在小型设备中进行，然后再逐渐放大到较大的设备中进行。

然而在实践中往往是小罐中获得的规律和数据，常常不能在大罐中再现。

这就涉及反应器放大的问题。

生物反应器的放大是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物反应过程放大的含义。

它是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。

反应器的放大涉及内容较多。

除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容，诸如：反应动力学，传递和流体流动的机理等。

因此，它是一个十分复杂的过程。

目前反应器的放大方法主要有：经验放大法、因次分析法、时间常数法和数学模拟法。

一、经验放大法经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法。

这些规律多半是定性的，仅有一些简单的、粗糙的定量概念。

由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解，因而放大比例一般较小，并且此法不够精确。

但是对于目前还难进行理论解析的领域，还要依靠经验放大法。

对于生物反应器来说，到目前为止，应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计。

下面介绍一下具体的经验放大原则：（一）几何相似放大生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大。

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。