生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大概述

　　1.結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，能耐受蒸汽滅菌，采用對(duì)生物催化劑無害和耐蝕材料制作，內(nèi)壁光滑*，內(nèi)部附件盡量減少，以維持純種培養(yǎng)需要；

　　2.有良好的氣-液接觸和液-固混和性能和熱量交換性能，使質(zhì)量與熱量傳遞有效地進(jìn)行；

　　3.保證產(chǎn)物質(zhì)量和產(chǎn)量前提下，盡量節(jié)省能源消耗；

　　4.減少泡沫產(chǎn)生或附有消沫裝置以提高裝料系數(shù)，并有必要可靠的參數(shù)檢測(cè)和控制儀表并能與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)。

　　一種新的生物技術(shù)產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)的開發(fā)過程中，會(huì)遇到生物反應(yīng)器的逐級(jí)放大問題，每一級(jí)約放大10-100倍。生物反應(yīng)器的放大表面看來僅是一個(gè)體積或尺度放大問題，實(shí)際上并不是那么簡(jiǎn)單。

　　反應(yīng)器放大研究雖已提出了不少方法，但還沒有一種是普遍都能適用的。目前還只能是半理論半經(jīng)驗(yàn)的，即抓住反應(yīng)過程中的少量關(guān)鍵性參數(shù)或現(xiàn)象進(jìn)行放大。有關(guān)氧傳遞問題在生物反應(yīng)器中，氧的傳遞速率要滿足細(xì)胞對(duì)氧的攝取速率，并使反應(yīng)器中溶解氧的濃度CL要維持在一定水平上。這就是說，在穩(wěn)態(tài)情況下，供氧與需氧間存在下列關(guān)系：KLa(C*-CL)=r；此處的KLa為氧的傳遞系數(shù)；C*為相當(dāng)氣相氧分壓的溶氧濃度，CL為培養(yǎng)液中溶氧濃度，r為攝氧率。

　　影響供氧的因素從上式可知r=KLa(C*-CL)；因此影響供氧的因素總體上講是KLa和C*-CL值。

　　要增大C*-CL，無非是增大C*值或降低CL值。增大C*的措施，有適當(dāng)增加反應(yīng)器中操作壓力和增大氣相中的氧分壓兩個(gè)方法。在實(shí)際操作中，生物反應(yīng)器保持一定正壓，以防止大氣中的雜菌從軸封、閥門等處侵入，但在增加罐壓的同時(shí)，發(fā)酵代謝所產(chǎn)生的CO2也會(huì)更多地溶解于培養(yǎng)液而對(duì)發(fā)酵不利。至于CL值，一般不允許過分減小，因?yàn)榧?xì)胞在生長中有一個(gè)臨界氧濃度，低于此臨界值，細(xì)胞的呼吸將受到抑制。

　　影響KLa的因素大致可分為三個(gè)方面：

　　一是反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，包括相對(duì)幾何尺寸的比例；

　　二是操作條件，如攪拌功率或循環(huán)泵功率的輸入量，通氣量等；

　　三是培養(yǎng)或發(fā)酵液的物理化學(xué)性質(zhì)，如流變特性，特別是其粘度或顯示粘度、表面張力、擴(kuò)散系數(shù)、細(xì)胞形態(tài)、泡沫程度等。

　　生物反應(yīng)器中的傳熱在細(xì)胞培養(yǎng)和發(fā)酵過程中，熱量的釋放是普遍存在的。這是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)或發(fā)酵過程中細(xì)胞與周圍環(huán)境的物質(zhì)產(chǎn)生新陳代謝，即發(fā)生異化（分解）作用和同化（合成）作用，而異化作用一般釋放能量，同化作用則是吸收能量。同化作用包括細(xì)胞生長、繁殖、產(chǎn)物形成所需能量來自細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)基中的基質(zhì)及營養(yǎng)成分的異化。從熱力學(xué)角度講，異化所產(chǎn)生能量必然應(yīng)多于同化所需要能量，而多余的能量則轉(zhuǎn)化為熱能釋放到周圍環(huán)境中去。無論是涉及細(xì)胞或酶的反應(yīng)中，釋放出的熱量都應(yīng)及時(shí)移去，以免影響過程的正常進(jìn)行，為此在生物反應(yīng)器中一般都附有冷卻裝置。