生物反應器的比擬放大

1、 （一）生物反應器簡介 （二）生物反應器放大的目的 （三）生物反應器的放大原則 （四）生物反應器的放大方法 （五）發(fā)酵罐的比擬縮小 （六）生物化工發(fā)展現(xiàn)狀與未來 生物反應器是生物技術開發(fā)中的關鍵 設備，每一種生物反應獲得的產(chǎn)品都離不開它。 一項生物技術能否實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，很大程度上 依賴于所用反應器的效率。 在生物反應器的設計與操作中，至少要考慮 以下兩方面的問題： （1）生物化學和生物能量學的問題 （2）該技術所涉及的生物反應過程 生物反應器是使生物技術轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品、生產(chǎn) 力的關鍵設備，其在生物過程中處于中心地位。 生物工業(yè)中使用的生物反應器有多種形式。 傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應器稱為“發(fā)酵罐

2、” （fermenter）。 上個世紀70到80年代，“生物反應器”這一 稱呼開始出現(xiàn)，并逐漸被人們廣泛接受和大量運 用。 生物反應器的種類比較多，不僅包括傳統(tǒng)的 發(fā)酵罐、酶反應器，還包括固定化酶或細胞反應 器、動植物細胞培養(yǎng)反應器和光合生物反應器等 等。 一個生物反應過程的開發(fā)，通常是在實 驗室規(guī)模、中試規(guī)模優(yōu)化研究的基礎上最 后才在大型生產(chǎn)設備中投入生產(chǎn)的。 但在不同大小的反應器中進行相同的生 物反應時，在生物反應器質(zhì)量、熱量和動 量傳遞上的差別，有可能導致反應速率以 及反應時具體過程的差異，從而導致反應 的異化。因此，生物反應器的比擬放大是 生物化學工業(yè)中的一個重要研究課題。 生物反應器

3、的類型很多，所適用的體系也 各異，因此生物反應器的放大是比較復雜 的。下面就介紹一些放大準則。 （1）幾何相似 即按小的與大的裝置各部 分幾何尺寸比例大致相同放大。但是，為 了避免設備直徑過大，大設備的高徑比往 往大一些。 （2）恒定等體積功率放大 由Pg/V恒定而 確定攪拌轉(zhuǎn)速。 （三）恒定傳氧系數(shù)kLa放大 這個方法抓住了傳氧這一關鍵因素，目前應 用很多。具體應用中要注意幾個問題。 1.小試中要測得準確的kLa值，選擇合適的計 算公式。 2.注意各計算kLa公式在放大中參數(shù)的變化及 適用范圍。 3.按照計算P0/Pg選擇通氣比，計算Vs求kL來 計算 （四）恒定剪切力恒定葉端速度放大 剪切

4、力與攪拌槳葉端速度成正比，在恒 定體積功率放大時一般維持n3d2不變（n為 攪拌槳轉(zhuǎn)速、d為攪拌槳直徑） （五）恒定的混合時間tM放大 另外，還有人主張考慮NRe及動量因子 來放大等，這里就不一一介紹了。 生物反應器的比擬放大，要對具體情況 做具體分析。根據(jù)不同的需要來確定放大 準則，再選取合適的方法。具體的放大方 法主要有以下幾種： （一）以kLa為基準的比擬放大法 （二）以Po/V相等為準則的比擬放大 （三）其他的比擬放大方法 有的菌種在深層發(fā)酵時耗氧速率很快，因 此溶氧速率能否與之平衡就可能成為生產(chǎn) 的限制性因素。耗氧速率可以用實驗法測 定。在小型試驗發(fā)酵罐里進行發(fā)酵過程， 用適當?shù)膬x器

5、記錄發(fā)酵液中的溶氧濃度。 對于溶氧速率控制的非牛頓發(fā)酵液系統(tǒng)， 把Po/V相等作為比擬放大的準則就非常方 便，同時也避免了微生物參與所帶來的計 算kLa的困難。 值得注意的是， Po/V與傳質(zhì)系數(shù)之間的確 存在著重要的關系，但Po/V相等并不意味 著kLa相等。二者之間沒有必然的聯(lián)系。 （一）恒周線速度 絲狀菌發(fā)酵受剪率、特別是攪拌葉輪尖端 線速度的影響較為明顯。如果僅僅保持kLa相 等或Po/V相等，可能會導致嚴重的失誤。在 Po/V相等的條件下，D/T比越小，造成的剪率 越大，也有利于菌絲團的破碎和氣泡的分散， 這對于產(chǎn)物抑制的發(fā)酵有重要意義。所以，對 于這類發(fā)酵體系，攪拌渦輪周線速度也被

6、認為 是比擬放大的基準之一。 （二）恒混合時間 混合時間的定義是把少許具有與攪拌 罐內(nèi)的液體相同物性的液體注入攪拌罐內(nèi)， 兩者達到分子水平的均勻混合所需要的時 間。 混合時間主要與發(fā)酵液的粘度有關，通 常，低粘度的液體混合時間要少于高粘度 的液體。另外，放大罐的體積越大，混合 時間就越長。 由此可以看出，比擬放大雖然必須以理性 知識為基礎，但也離不開豐富的實際運轉(zhuǎn) 經(jīng)驗，特別是對于非牛頓流體發(fā)酵系統(tǒng)尤 其如此。直到最近，比擬放大的現(xiàn)狀仍然 如此。 在不少情況下，大型的生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐是已有 的，而用實驗室的搖平去篩選生產(chǎn)用菌株。但有 的時候，搖瓶中的環(huán)境條件與大型發(fā)酵罐有很大 的不同，這就導致

7、很多生產(chǎn)與實驗中的不符合。 比擬縮小就是將現(xiàn)有的生產(chǎn)規(guī)模發(fā)酵罐比擬縮小 至實驗室規(guī)模。目的就是在實驗室規(guī)模中實現(xiàn)大 型反應器的微生物生長活動的環(huán)境條件。這就為 現(xiàn)有的生產(chǎn)規(guī)模提供了優(yōu)良的菌種篩選和選育的 場所，也為工藝條件的優(yōu)化提供服務。 比擬縮小的原理、方法與比擬放大相同。 （一）國外生物化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢 （二）我國生物化工主要產(chǎn)品發(fā)展方向 （三）國內(nèi)外的生物公司 生物化學轉(zhuǎn)化與傳統(tǒng)的化學合成相比，具有原料易得、反應條件溫和、 選擇性高和環(huán)境污染小的優(yōu)點。特別是現(xiàn)代生物技術的發(fā)展，已使生物化 工成為21世紀最高生命力的產(chǎn)業(yè)。生物技術是振興化工的一個重要方面 。 美國確定2020年化學工業(yè)技術

8、發(fā)展方向是：以催化為中心的化學合成 技術應用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和食品等生物工藝。全球生物化學工業(yè)產(chǎn)業(yè)銷售額 達上千億美元。在美國，從事生物技術制品的生產(chǎn)公司約1300多家；日本 生物技術產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的5%以上。生物化工在化學品制備中， 每年正以18%的速度發(fā)展。 國外生物化工發(fā)展特點：國際上老牌化學工業(yè)公司轉(zhuǎn)化為以生物技術 為主的大公司，如孟山都公司、杜邦公司、默克公司等（2）生物催化合 成已成為化學品合成的支柱之一。利用生物催化合成諸多的化學品（3） 利用生物技術生產(chǎn)具有特需功能的化工新材料。利用生物技術來生產(chǎn)那些 化學法無法生產(chǎn)的或者生產(chǎn)成本高，或者對環(huán)境不利的那些化工新材料 （4）傳統(tǒng)的發(fā)酵工業(yè)已被基因重組菌種取代或改良。許多傳統(tǒng)的發(fā)酵工 程產(chǎn)品，如檸檬酸、青霉素等都已開始采用基因工程手段進行改造，大大 提高產(chǎn)量。以基因工程為主導的醫(yī)藥生物技術產(chǎn)品已占75%左右。 （1）生物法合成化學品 產(chǎn)品中采用生物方法生產(chǎn)功能性高分子材料，能生產(chǎn) 出可生物降解的高分子材料。清華大學和中科院在發(fā)酵法 生產(chǎn)PHB上取得較大進展。北京化工大學已建成250噸/年 發(fā)酵發(fā)生產(chǎn)殼聚糖工業(yè)化裝置。在發(fā)展實現(xiàn)聚天門冬酸的 工業(yè)化是很有希望的，聚天門冬酸是一種優(yōu)良的生物可降 解的高分子材料，可用于水處