生物反应器的比拟放大

保兴赛斯

生物反应器的比拟放大

生物反应过程的放大，是指以实验室或中试反应设备所取得的实验数据为依据，设计制造大规模的反应系统，应用相应的工艺条件，进行工业规模的生产。它不是简单的等比例放大，而是以维持细胞生长与生物反应速率相似为目的的放大。

通常一个生物产品的研发生产需要经历三个阶段：

实验室阶段，此阶段进行菌种筛选和培养基研究，通常是在摇瓶或1~5L反应器中进行。

中试阶段，此阶段是参考实验室数据进行放大试验，研究最佳环境操作条件，是在中小型生物反应器中进行。

工业生产阶段，此阶段的试验生产是以提供商业产品，获得经济效益为目的，通常使用的都是大型生物反应器。

在上述的3个阶段中，尽管微生物所进行的生化反应是相同的，但是容器规模不同，

小型装置的物质浓度和压强梯度小，且表面效应影响很大，具有良好的混合特性。而大型装置内不同位置的物质浓度和压强有明显区别，生物细胞随液体微团运动，在不同的时间可能会处于不同营养和溶氧浓度及变化压强的环境中，且受到的湍流剪切力较强，细胞损伤较大。

研究生物反应系统的内在规律及影响因素，重点解决有关质量传递、动量传递和热量传递的问题，便能在反应器的放大过程中尽可能维持生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。

放大过程的影响因素

（1）传质

细胞培养过程中，氧、营养物质和代谢产物需分布均一，保证细胞能及时利用。大型生物反应器内细胞密度越高，对氧传递能力的要求也越高。氧的传质速率OTR可用下式表示：

OTR=kLa（C*-C）

kLa为体积溶氧系数，C*为饱和溶液中氧的浓度，C为溶液中氧的浓度。

由上式可看出，氧传递速率的主要影响因素是体积溶氧系数，但由于生物反应器内流场及多相流动的复杂性，至今还不能完全用理论分析的方法来预测体积溶氧系数。

（2）传热

夹套式传热系统的冷却效率正比于反应器表面积，随着反应器体积增大，单位体积的表面积迅速减小，传热成为了生物反应器放大的制约因素。其次小型反应器所用的冷却水大多在4℃左右，如果用于大型反应器，会造成成本增加，但换用普通冷水，可能存在换热效率低的问题。目前保兴赛斯大型生物反应器（≥10吨）有分段式夹套和内外盘管两种形式进行换热，客户也可根据需求，进行定制化设计。

（3）混合

混合是主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散这三种扩散机理的综合作用。主体对流扩散和涡流扩散只能进行“宏观混合”，只有分子扩散才能实现“微观混合”。对于大型生物反应器，在反应器顶部附近的混合基本处于停滞状态，溶氧传质效率会明显下降。

（4）剪切

搅拌器对生物细胞的搅拌剪切作用随反应器规模的增大而增强，不仅影响细胞的分散状态，如絮凝、悬浮、结成团块等，而且会影响细胞的代谢水平，严重时还会使细胞本身产生剪切损伤作用。保兴赛斯有多种搅拌桨叶可供选择，根据不同细胞对剪切力的耐受度，匹配不同的桨叶，以减少剪切力对细胞的影响。

（5）表观气速

反应器放大过程中还要考虑“液泛”现象。如果表观气速过大，会造成太多的气泡产生甚至跑料，而且消耗的通气功率也将增大。

放大方法

理论上，生物发酵过程和生物反应器的开发和设计过程应由下述几个步骤构成：

在较宽的培养条件下，对所使用的生物细胞进行试验，以掌握细胞生长动力学及产物生成动力学等特性；

根据上述系列试验，确定该生物发酵的最优培养基配方和培养条件；

对有关的质量传递、热量传递、动量传递等微观衡算方程进行求解，导出能表达反应器内的环境条件和主要操作变量之间的关系模型。

应用此数学模型，计算优化条件下主要操作变量的取值。

（1）理论放大方法

放大的基本理论基础是相似理论，其基本特点是：两个反应系统可用同一微分方程描述，在任一系统中同步存在动量、热量及质量传递和生物化学反应。理论放大法就是建立及求解生物反应系统的动量、质量和能量平衡方程。但由于生物反应过程的复杂性，能充分描述生物反应过程的动力学方程异常复杂，故要求解某些微分方程十分困难，致使很难完全遵循上述理想过程来完成生物反应器的设计和放大。   

（2）半理论放大方法

理论放大方法难于求解动量衡算方程，为解决该矛盾，可对动量方程进行简化，只考虑液流主体的流动，而忽略局部如搅拌叶轮或罐壁附近的复杂流动。其流型有三类，即活塞流、带液体微元分散的活塞流和完全混合流动。

半理论方法是生物反应器设计与放大最普遍的实验研究方法。但液流主体模型通常只能在实验规模的小型生物反应器（5~30L）中获得，并非利用大规模的生产系统所得到的真实结果，故使用此方法进行放大有一定的风险，必须通过实际生物反应过程进行检验校正。

（3）因次分析法

因次分析放大法就是在放大过程中，维持生物反应系统参数构成的无因次数群（称为准数）恒定不变。在以因次分析法对生物反应器进行放大时，首先需进行系统的模式分析，确定反应系统中起主导作用的机理，获得重要参数，合理构建准数。所需的准数一经获得，对小型实验室反应装置及大型生产装置的同一准数取相等数值，结合参考多个相似条件，即能进行放大。但要在过程分析得到有一定物理意义的准数并非易事，有时衡算方程也无法建立。

（4）经验放大原则

     目前应用最多的还是凭经验设计，但一般只能保证个别判据在放大后相等，如体积溶氧系数kLa相等、单位体积能量输入(P/V)相等、搅拌叶尖线速度相等、混合时间相等，为此必须考虑其他判据的变化是否会导致流型的变化或对微生物造成损害，并据此做出修改。

参考资料：

[1]朱明军.生物工程设备[M].北京：中国轻工业出版社,2021.12

[2]田志军. 搅拌式生物反应器放大过程的影响因素与放大方法探究 [J]. 科技信息, 2012, (27): 67+70.

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保兴赛斯（www.bxsszy.com)是专业的生物工程一站式解决方案的供应商，保兴赛斯以工艺和技术为支撑点，提供工艺装备一体化服务。公司自创立以来，专注于生物行业发展，为客户提供专业化、个性化、定制化的解决方案。