生物反应器的设计与放大概述

　　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*，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。