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生物反应器的设计与放大概述

点击次数:117 发布时间:2021-07-21
   生物反应器的设计和放大设计的总体考虑如下:
  1.结构严密,能耐受蒸汽灭菌,采用对生物催化剂无害和耐蚀材料制作,内壁光滑无死角,内部附件尽量减少,以维持纯种培养需要;
  2.有良好的气-液接触和液-固混和性能和热量交换性能,使质量与热量传递有效地进行;
  3.保证产物质量和产量前提下,尽量节省能源消耗;
  4.减少泡沫产生或附有消沫装置以提高装料系数,并有必要可靠的参数检测和控制仪表并能与计算机联机。
  一种新的生物技术产品从实验室到工业生产的开发过程中,会遇到生物反应器的逐级放大问题,每一级约放大10-100倍。生物反应器的放大表面看来仅是一个体积或尺度放大问题,实际上并不是那么简单。
  反应器放大研究虽已提出了不少方法,但还没有一种是普遍都能适用的。目前还只能是半理论半经验的,即抓住反应过程中的少量关键性参数或现象进行放大。有关氧传递问题在生物反应器中,氧的传递速率要满足细胞对氧的摄取速率,并使反应器中溶解氧的浓度CL要维持在一定水平上。这就是说,在稳态情况下,供氧与需氧间存在下列关系:KLa(C*-CL)=r;此处的KLa为氧的传递系数;C*为相当气相氧分压的溶氧浓度,CL为培养液中溶氧浓度,r为摄氧率。
  影响供氧的因素从上式可知r=KLa(C*-CL);因此影响供氧的因素总体上讲是KLa和C*-CL值。
  要增大C*-CL,无非是增大C*值或降低CL值。增大C*的措施,有适当增加反应器中操作压力和增大气相中的氧分压两个方法。在实际操作中,生物反应器保持一定正压,以防止大气中的杂菌从轴封、阀门等处侵入,但在增加罐压的同时,发酵代谢所产生的CO2也会更多地溶解于培养液而对发酵不利。至于CL值,一般不允许过分减小,因为细胞在生长中有一个临界氧浓度,低于此临界值,细胞的呼吸将受到抑制。
  影响KLa的因素大致可分为三个方面:
  一是反应器的结构,包括相对几何尺寸的比例;
  二是操作条件,如搅拌功率或循环泵功率的输入量,通气量等;
  三是培养或发酵液的物理化学性质,如流变特性,特别是其粘度或显示粘度、表面张力、扩散系数、细胞形态、泡沫程度等。
  生物反应器中的传热在细胞培养和发酵过程中,热量的释放是普遍存在的。这是因为在培养或发酵过程中细胞与周围环境的物质产生新陈代谢,即发生异化(分解)作用和同化(合成)作用,而异化作用一般释放能量,同化作用则是吸收能量。同化作用包括细胞生长、繁殖、产物形成所需能量来自细胞对培养基中的基质及营养成分的异化。从热力学角度讲,异化所产生能量必然应多于同化所需要能量,而多余的能量则转化为热能释放到周围环境中去。无论是涉及细胞或酶的反应中,释放出的热量都应及时移去,以免影响过程的正常进行,为此在生物反应器中一般都附有冷却装置。
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