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1、生物反应器的比拟放大Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望生物反应器的比拟放大（一）生物反应器简介（二）生物反应器放大的目的（三）生物反应器的放大原则（四）生物反应器的放大方法（五）发酵罐的比拟缩小（六）生物化工发展现状与未来生物反应器简介 生物反应器是生物技术开发中的关键 设备，每一种生物反应获得的产品都离不开它。 一项生物技术能否实现产业化，很大程度上依赖于所用反应器的效率。 在生物反应器的设计与操作中，至少要考虑以下两方面的问题： （1）生物化学和生物能量学的问题 （
2、2）该技术所涉及的生物反应过程生物反应器简介 生物反应器是使生物技术转化为产品、生产力的关键设备，其在生物过程中处于中心地位。 生物工业中使用的生物反应器有多种形式。传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐”（fermenter）。 上个世纪70到80年代，“生物反应器”这一称呼开始出现，并逐渐被人们广泛接受和大量运用。 生物反应器的种类比较多，不仅包括传统的发酵罐、酶反应器，还包括固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养反应器和光合生物反应器等等。生物反应器放大的目的 一个生物反应过程的开发，通常是在实验室规模、中试规模优化研究的基础上最后才在大型生产设备中投入生产的。 但在不同大小的反应器中
3、进行相同的生物反应时，在生物反应器质量、热量和动量传递上的差别，有可能导致反应速率以及反应时具体过程的差异，从而导致反应的异化。因此，生物反应器的比拟放大是生物化学工业中的一个重要研究课题。生物反应器的放大原则（一）生物反应器的类型很多，所适用的体系也各异，因此生物反应器的放大是比较复杂的。下面就介绍一些放大准则。 （1）几何相似 即按小的与大的装置各部分几何尺寸比例大致相同放大。但是，为了避免设备直径过大，大设备的高径比往往大一些。 （2）恒定等体积功率放大 由Pg/V恒定而确定搅拌转速。生物反应器的放大原则（二）（三）恒定传氧系数kLa放大 这个方法抓住了传氧这一关键因素，目前应用很多。具
4、体应用中要注意几个问题。 1.小试中要测得准确的kLa值，选择合适的计算公式。 2.注意各计算kLa公式在放大中参数的变化及适用范围。 3.按照计算P0/Pg选择通气比，计算Vs求kL来计算生物反应器的放大原则（三）（四）恒定剪切力恒定叶端速度放大 剪切力与搅拌桨叶端速度成正比，在恒定体积功率放大时一般维持n3d2不变（n为搅拌桨转速、d为搅拌桨直径）（五）恒定的混合时间tM放大 另外，还有人主张考虑NRe及动量因子来放大等，这里就不一一介绍了。生物反应器的放大方法 生物反应器的比拟放大，要对具体情况做具体分析。根据不同的需要来确定放大准则，再选取合适的方法。具体的放大方法主要有以下几种：（一
5、）以kLa为基准的比拟放大法（二）以Po/V相等为准则的比拟放大（三）其他的比拟放大方法以kLa为基准的比拟放大法有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快，因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为生产的限制性因素。耗氧速率可以用实验法测定。在小型试验发酵罐里进行发酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的溶氧浓度。以Po/V相等为准则的比拟放大对于溶氧速率控制的非牛顿发酵液系统，把Po/V相等作为比拟放大的准则就非常方便，同时也避免了微生物参与所带来的计算kLa的困难。值得注意的是， Po/V与传质系数之间的确存在着重要的关系，但Po/V相等并不意味着kLa相等。二者之间没有必然的联系。其他的比拟放大方法（一）恒周
6、线速度 丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖端线速度的影响较为明显。如果仅仅保持kLa相等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在Po/V相等的条件下，D/T比越小，造成的剪率越大，也有利于菌丝团的破碎和气泡的分散，这对于产物抑制的发酵有重要意义。所以，对于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为是比拟放大的基准之一。其他的比拟放大方法（二）恒混合时间 混合时间的定义是把少许具有与搅拌 罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。 混合时间主要与发酵液的粘度有关，通常，低粘度的液体混合时间要少于高粘度的液体。另外，放大罐的体积越大，混合时间就越长。其他的比拟放大方
7、法由此可以看出，比拟放大虽然必须以理性知识为基础，但也离不开丰富的实际运转经验，特别是对于非牛顿流体发酵系统尤其如此。直到最近，比拟放大的现状仍然如此。发酵罐的比拟缩小在不少情况下，大型的生产规模的发酵罐是已有的，而用实验室的摇平去筛选生产用菌株。但有的时候，摇瓶中的环境条件与大型发酵罐有很大的不同，这就导致很多生产与实验中的不符合。比拟缩小就是将现有的生产规模发酵罐比拟缩小至实验室规模。目的就是在实验室规模中实现大型反应器的微生物生长活动的环境条件。这就为现有的生产规模提供了优良的菌种筛选和选育的场所，也为工艺条件的优化提供服务。比拟缩小的原理、方法与比拟放大相同。生物化工发展现状与未来（一
8、）国外生物化工产业发展趋势（二）我国生物化工主要产品发展方向（三）国内外的生物公司国外生物化工产业发展趋势 生物化学转化与传统的化学合成相比，具有原料易得、反应条件温和、选择性高和环境污染小的优点。特别是现代生物技术的发展，已使生物化工成为21世纪最高生命力的产业。生物技术是振兴化工的一个重要方面 。 美国确定2020年化学工业技术发展方向是：以催化为中心的化学合成技术应用于农业、医药和食品等生物工艺。全球生物化学工业产业销售额达上千亿美元。在美国，从事生物技术制品的生产公司约1300多家；日本生物技术产业产值占国民经济总产值的5%以上。生物化工在化学品制备中，每年正以18%的速度发展。 国外
9、生物化工发展特点：国际上老牌化学工业公司转化为以生物技术为主的大公司，如孟山都公司、杜邦公司、默克公司等（2）生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一。利用生物催化合成诸多的化学品（3）利用生物技术生产具有特需功能的化工新材料。利用生物技术来生产那些化学法无法生产的或者生产成本高，或者对环境不利的那些化工新材料（4）传统的发酵工业已被基因重组菌种取代或改良。许多传统的发酵工程产品，如柠檬酸、青霉素等都已开始采用基因工程手段进行改造，大大提高产量。以基因工程为主导的医药生物技术产品已占75%左右。 我国生物化工主要产品发展方向（1）生物法合成化学品 产品中采用生物方法生产功能性高分子材料，能生产出可生物降解的高分子材料。清华大学和中科院在发酵法生产PHB上取得较大进展。北京化工大学已建成250吨/年发酵发生产壳聚糖工业化装置。在发展实现聚天门冬酸的工业化是很有希望的，聚天门冬酸是一种优良的生物可降解的高分子材料，可用于水处理，吸水树脂等。（2）环境生物技术重金属离子去除和回收是国内外一大难题。 近几年，国内利用生物法治理含重金属离子废水上取得了一定的成绩，建立了中试装置，如北京化工大学在山东曲阜皮革厂建立一条1万t/年处理含铬废水装置。关于这一领域工业化问题仍是今后一个主要研发方向。
