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/hm/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4.64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4.64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限制受到影响，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表7-1 放大方法的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。