第七章 生物反应器的放大与控制

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。所谓的几何相似指的是两台设备的几何形状完全相似。在几何相似放大中，放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数，即：

（7-1）

（7-2）

和（7-3）

式中——反应器的高度，m；

——反应器的内径，m；

——反应器的体积，m3；

下标“1”——-模型反应器；

下标“2”——放大的反应器。

若按几何相似放大法，当体积增加10倍时，生物反应器的直径和高度均放大101/3倍。

（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大。

以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大，是一般机械搅拌式化学反应器的放大准则，可以将此准则应用于生物反应器的放大，即：

（7-4）

对于不通气时的机械搅拌生物反应器，根据轴功率计算公式，可以得到：

（7-5）

因此

（7-6）

所以

（7-7）

（7-8）

式中——不通气时的搅拌功率，kW；

——反应器的内径，m；

——发酵液的体积，m3；

下标“1”——模型反应器；

下标“2”——放大的反应器。

对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大，即：

（7-9）

根据通气时搅拌轴功率的计算公式，可知：

（7-10）

所以

（7-11）

（7-12）

式中——通气搅拌率；

——通气量；

——空气的线速度。

（三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大

生物细胞培养过程中空气流量的表示方式有两种：

（1）单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准态），即：

，m3/（m3·min）（7-13）

（2）操作状态下空气的线速度，m/h。

，m/h （7-14）

，m3/h （7-15）

，m3/（m3·min）（7-16）

式中——反应器内径，m；

——反应器的温度，℃；

——发酵液体积，m3；

——液柱平均绝对压力，Pa。

以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大时，有

，

即

（7-17）

因此

（7-18）

由上式可知，当体积放大100倍时，，如果忽略液柱压力，则即线速度增大倍，其结果是显得空气线速度放大过多。

（四）以空气线速度相同的原则进行放大

以空气线速度相同的原则进行放大时有

（7-19）

即

（7-20）

由上式可知，当体积放大100倍时，即，若忽略液柱压力，即，即通风量减少倍，其结果是通风量过小。

（五）以相同的原则进行放大

在耗氧发酵过程中，由于氧在培养液中的溶解度很低，生物反应很容易因为反应器供氧能力的限制受到影响，因此以反应器的相同作为放大准则，往往可以收到较好的效果。

反应器的与操作条件及培养液的物性有关，在进行放大时，培养液性质基本相同，所以可只考虑操作条件的影响。

根据文献报道，与通气量、液柱高度、培养液体积存在如下的比例关系：

（7-21）

按相等的原则进行放大，则有：

（7-22）

故

（7-23）

又因为

（7-24）

所以

（7-25）

又因为

（7-26）

故

（7-27）

也有采用下面的表达式作为放大基础：

（7-28）因此

（7-29）

若以

（7-30）

（7-31）

按相同的原则进行放大，则：

（7-32）

（7-33）

（7-34）

（六）搅拌器叶尖速度相同的准则