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4.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4.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
按照搅拌器的叶尖速度相等的原则进行放大。当大小反应器中搅拌器的叶尖速度相等时，
，因此：
（7-35）
（七）混合时间相同的准则
混合时间是指在反应器中加入物料，到它们被混合均匀时所需的时间。在小反应器中，比较容易混合均匀，而在大反应器中，则较为困难。
通过因次分析，得到以下关系：
（7-36）
对于几何相似的反应器，时，从上式可以得出：
（7-37）
需要指出的是上述放大方法是各强调一个侧重点，得出的结论往往有较大的差异。下表所列出的是10L 小罐（n=500r/min，通气1VVM）放大到10000L（即放大1000倍）时，按照不同的放大准则所得出的结论，并以搅拌转速来进行比较。
方法放大后搅拌转速，r/min方法放大后搅拌转速，r/min 等体积功率等氧质系数79非通气107等叶端速度50
通气85等混合时间1260
从表中的数据可以看到，按照不同准则放大，结果是放大后的反应器其他参数发生了悬殊的差别。这说明在放大中选用什么准则是很重要的，这要根据放大体系的特点而确定。
反应器的放大问题现在尚未解决，在放大时往往外还要凭借经验。有人统计，实际放大过程中应用最多的是和相同。
二、其他放大方法
除了上述的一些放大方法之外，还在实验中采用因次分析法、时间常数法、数学模拟法等。
因次分析法也称相似模拟法，它是根据相似原理，以保持无因次准数相等的原则进行放大。该法是根据对过程的了解，确定影响过程的因素，用因次分析方法求得相似准数，
根据相似理论的第一定律（各系统互相相似，则同一相似准数的数值相等的原理），若能保证放大前与放大后的无因次数群相同，则有可能保证放大前与放大后的某些特性相同。
迄今为止，因次分析法已成功地应用于各种物理过程。但对有生化反应参与的反应器的放大则存在一定的困难。这是因为在放大过程中，要同时保证放大前后几何相似、流体力学相似、传热相似和反应相似实际上几乎是不可能的，保证所有无因次数群完全相等也是不现实的，并且还会得出极不合理的结果。
在生物反应器的放大过程中，由于同时涉及微生物的生长、传质、传热和剪切等因素，需要维持的相似条件较多，要使其同时满足是不可能的，因此用因次分析法一般难以解决生物反应器的放大问题。为此常需要根据已有的知识和经验进行判断，以确定何者更为重要，同时也能兼顾其他的条件。
时间常数是指某一变量与其变化速率之比。常用的时间常数有反应时间、扩散时间、混合时间、停留时间、传质时间、传热时间和溶氧临界时间等。时间常数法可以利用这些时间常数进行比较判断，用于找出过程放大的主要矛盾并据此来进行反应器的放大。
数学模拟法是根据有关的原理和必要的实验结果，对实际的过程用数学方程的形式加以描述，然后用计算机进行模拟研究、设计和放大。该法的数学模型根据建立方法不同，可分为由过程机理推导而得的“机理模型”、由经验数据归纳而得的“经验模型”和介于二者之间的“混合模型”。
机理模型是从分析过程的机理出发而建立起来的严谨的、系统的数学方程式。此模型建立的基础是必须对过程要有深刻而透彻的了解。
经验模型是一种以小型实验、中间试验或生产装置上实测的数据为基础而建立的数学模型。
混合模型是通过理论分析，确定各参数之间的函数关系的形式，再通过实验数据确定此函数式中各参数的数值，也就是把机理模型和经验模型相结合而得到的一种模型。
下图为数学模拟放大法用于一般过程开发的示意图
数学模拟放大法是以过程参数间的定量关系为基础的，因而消除了因次分析中的盲目性和矛盾性，而能比较有把握地进行高倍数的放大，并且模型的精度越高，放大率、倍数越大。然而模型的精密程度又建立在基础研究之上。由于受到这方面的，数学模拟实际取得成效的例子不够多，特别是对生物反应过程，由于过程的复杂性，这方面的问题还远没解决，但无疑它是一个很有前途的方法。
第二节生物反应器的参数检测
一、生物加工过程的参数（物理、化学参数）
要对生化过程进行有效的操作和控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是要了解生化过程的各种信息。这些信息可以分为物理变量信息（如发酵温度）、化学变量信息
（如pH）以及生物变量信息（如生物质浓度）。具体项目见下表：
表7-2 生物加工过程的物理、化学参数
物理参数
化学参数
间接参数成熟尚不成熟
温度pH成分浓度氧利用速率（OUR）
压力氧化还原电位糖二氧化碳释放速率（CER）功率输入溶解氧浓度氮呼吸熵（RQ）
搅拌速率溶解 CO2浓度前体总氧利用体积氧传递系数
通气流量排气氧分压诱导物
位置排气CO2分压产物
加料速率其他排气成分代谢物细胞浓度（X）
金属离子细胞生长速率
Mg2+，K+，Ca2+比生长速率（μ）培养液重量Na+， SO42-细胞得率（YX/S）
培养液体积PO43-糖利用率
NAD，NADH氧的利用率培养液表观糖度ATP，ADP，AMP比基质消耗率（υ）积累量脱氢酶活力前体利用率酸其它各种酶活力产物量（ρ）
碱细胞内成分比生产率消泡剂蛋白质其他需要计算的值参数
DNA
细胞量RNA功率功率准数
气泡含量雷诺数
面积生物量表面张力生物热
碳平衡
能量平衡下面对其中的一些重要参变量简要加以说明
（一）设定参数
工业规模发酵对就地测量的传感器的使用十分慎重，不轻易采取一些无保证、未经考验的就地测量仪器。现在采用的发酵过程就地测量仪器是经过考察、很可靠的化学工厂也在使用的传感器，如用热电耦测量罐温、压力表指示罐压、转子流量计读空气流量和测速电机显示搅拌转速等。常规在线测量和控制发酵过程的设定参数有罐温、罐压、通气量、搅拌转速、液位等。
1．压强
对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌的洁净空气，一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧，二是强化培养液的混合与传质，三是维持反应器有适宜的表压，以防止外界杂菌进入发酵系统。对气升式反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量消耗的关键因素之一。对嫌气发酵，如废水的生物厌氧生物处理，对反应体系内压强的监控也是十分必要的。
2．温度
不管生物细胞或是酶催化的生物反应，反应温度都是最重要的影响因素。不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生成温度，而酶也有最适的催化温度，所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围。
3．通气量
不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要连续（或间歇）往反应器中通入大量的无菌空气。为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。当然，过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大以及通风耗能上升等不良影响。
4．液面（或浆液量）
对液体发酵，反应器的液面或是装液量的控制是反应器设计的重要因素。液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液面的
高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的含气率达一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必须严格控制培养基液面。特别地，对气升内环流式反应器，由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环流混合与气液传质，但在通气发酵过程中，排气会带出一定水分，故反应器内培养液会蒸发减少，因此液面的检测监控更重要，必要时需补加新鲜培养基或无菌水，以维持最佳液位。同理，连续发酵过程液位必须维持恒定，液面的检测控制也十分重要。
5．搅拌转速与搅拌功率
对一定的发酵反应器，搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成
正比，，其N中为搅拌转速。此外，某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。
同时，搅拌功率与上述的搅拌转速的关系，是机械搅拌通气发酵罐的比拟放大基准。因而直接测定或计算求出搅拌功率也十分重要。
6．泡沫高度
液体生物发酵，不管是通气还是厌气发酵均有不同程度的泡沫产生。发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、糖类以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过
程中生成的CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。如控制不好，就会大大降低发酵反应器的有效反应空间即装料系数低，增加感染杂菌的机会，严重时泡沫会从排气口溢出而造成跑料，这导致产物收率下降。
7．培养基流加速度
对生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续或间歇往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入量和加入速度，以实现优化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率和生产效率。
8．冷却介质流量与速度
生物发酵过程均有生物合成热产生，对机械搅拌发酵罐还有搅拌热，为保持反应器系统的温度在工艺规定的范围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热移走。根据生化反应器的热量平衡算式：
（7-38）
（7-39）