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。

以上参数中，大部分物理和化学参数都能够使用一般的手段进行在线

检测和控制。但是进行生化参数的在线检测和控制却非常困难。

1.4.2生物反应器的检测方法

生物反应过程参数检测方法可分为在线检测和离线检测。

1）在线检测：最常用的方法。

（1）过程：

将能够感应检测参数变化的传感器直接放到生物反应器中的测量点上，传感器将测量点的待测参数变化转化为电信号，经放大，送到显示系统和控制单元。（2）传感器：

A．功能：感应生物反应过程的各种物理和化学变化，并将这些变化转化为电信号，供放大、显示、记录以及送到反应器的控制单元。通常使用的测量温度的有温度探头，溶氧电极，ph电极。

B．应满足的条件

能够在生物反应器上有效使用的传感器应满足以下条件：

（1）反应灵敏快速。传感器是否灵敏对生物反应过程的检测和控制非常重要。如果传感器的反应滞后于生物反应器内部的变化就

意味着传感器得到的数值与实际情况有一个时间差，这个时间

差对生物传感器的控制将造成很大困难，甚至控制错误。

（2）传感器结构应简单整洁，不能有清洗死角以免带菌产生污染。

一般的生物反应器都要求无菌操作，一旦污染杂菌将给生产造

成非常大的损失。因此，应尽量切断任何可能的染菌渠道。在

生物反应器上的传感器常使用0型密封圈进行密封，并使用蒸

汽进行反复消毒。

（3）传感器应当有很高的可靠性和长时间的稳定性。生产过程中不允许中途更换或者是重新标定传感器。为了保险，反应器中常

常安装两个传感器以免由于一个传感器的失效对生产造成灾难

性后果。

（4）传感器应当能够耐受消毒蒸汽的温度和压力。生物反应器早使用蒸汽消毒时一般温度在130°以上，压力也在1.5个大气压左

右，很多传感器因为无法在消毒过程中耐受这么高的温度和压

力而不能在生物反应器上使用

2）离线检测：

先从反应器内取出物料，然后再用仪器分析和化学分析的方法进行检测。离线检测容易引起染菌，出结果需要一定的时间。

1.4.3生物反应器的控制

生物反应器检测的目的是为了控制，而控制的目的是为了使生物反应处于最佳的反应条件下，反映在生产上就是以最少的消耗产生最优、最多的合格产品。

在实际运行过程中，生物反应器的主要控制参数包括，温度、pH,溶氧、搅拌、二氧化碳浓度等。

下面介绍一下这些参数的控制。

1）温度的控制：

温度是影响发酵过程的一个重要参数，不仅因为生物本身对温度敏感，而且生物生长和产物合成的所必需的酶在一定的温度下才能发挥较高的活性。

温度控制器使用温度探头感应反应器内的温度，当温度大于设定值时，将电

加热器关闭，通入的冷水很快使温度降低。当温度低于设定值时，控制仪打开电加热器，使温度升高。控制仪使用开、关控制的办法，配合冷水将温度控制在一定范围。

温度控制精度可小于加减0.5°。一般来说，加减0.5°的精确性对产品的质量和细胞生长状态不会有影响。

2）溶氧的控制：

溶氧的浓度取决于氧气进入培养液的速度和生物消耗氧气的速度，如果前者大于后者，氧气浓度增加，否则降低，而在这两者中，我们能够控制的只有氧气进入培养液的速度。

氧气进入培养液的速度取决于四个因素：搅拌速度、鼓入的空气速度、鼓入的气体中氧气的含量和反应器内氧气的分压。增加氧气的浓度和增加反应器内氧气的分压具有类似的效果，都能够提高氧气进入液相的推动力。

介绍一个最为广泛应用的溶氧浓度控制方案。适合微生物及其他对搅拌剪切力不太敏感的生物培养。这个方案采用搅拌优先的控制方法，即当溶氧浓度低于设定值时，先增加搅拌速度，如果搅拌速度增加到某个最大值后还达不到要求，再增加气体通入的速度。

3）pH的控制：

有效的pH对于工艺过程的成功非常重要。

pH的控制依靠向反应器内滴加酸或碱溶液完成（当然是对于微生物而言）。当pH探头测得反应器内pH高于设定值时，pH放大控制仪向酸泵发出信号滴加酸溶液，否则，向碱泵发出信号滴加碱溶液。在有些情况下，可将培养液的pH 控制在一定的范围内，即允许培养液的pH在一定的上下限内波动，pH超过上限或低于下限时才加入酸或者碱溶液。