生物反應器的設計與放大概述

　　1.結構嚴密，能耐受蒸汽滅菌，采用對生物催化劑無害和耐蝕材料制作，內壁光滑*，內部附件盡量減少，以維持純種培養需要；

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

　　3.保證產物質量和產量前提下，盡量節省能源消耗；

　　4.減少泡沫產生或附有消沫裝置以提高裝料系數，并有必要可靠的參數檢測和控制儀表并能與計算機聯機。

　　一種新的生物技術產品從實驗室到工業生產的開發過程中，會遇到生物反應器的逐級放大問題，每一級約放大10-100倍。生物反應器的放大表面看來僅是一個體積或尺度放大問題，實際上并不是那么簡單。

　　反應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驗的，即抓住反應過程中的少量關鍵性參數或現象進行放大。有關氧傳遞問題在生物反應器中，氧的傳遞速率要滿足細胞對氧的攝取速率，并使反應器中溶解氧的濃度CL要維持在一定水平上。這就是說，在穩態情況下，供氧與需氧間存在下列關系：KLa(C*-CL)=r；此處的KLa為氧的傳遞系數；C*為相當氣相氧分壓的溶氧濃度，CL為培養液中溶氧濃度，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，有適當增加反應器中操作壓力和增大氣相中的氧分壓兩個方法。在實際操作中，生物反應器保持一定正壓，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，發酵代謝所產生的CO2也會更多地溶解于培養液而對發酵不利。至于CL值，一般不允許過分減小，因為細胞在生長中有一個臨界氧濃度，低于此臨界值，細胞的呼吸將受到抑制。

　　影響KLa的因素大致可分為三個方面：

　　一是反應器的結構，包括相對幾何尺寸的比例；

　　二是操作條件，如攪拌功率或循環泵功率的輸入量，通氣量等；

　　三是培養或發酵液的物理化學性質，如流變特性，特別是其粘度或顯示粘度、表面張力、擴散系數、細胞形態、泡沫程度等。

　　生物反應器中的傳熱在細胞培養和發酵過程中，熱量的釋放是普遍存在的。這是因為在培養或發酵過程中細胞與周圍環境的物質產生新陳代謝，即發生異化（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。同化作用包括細胞生長、繁殖、產物形成所需能量來自細胞對培養基中的基質及營養成分的異化。從熱力學角度講，異化所產生能量必然應多于同化所需要能量，而多余的能量則轉化為熱能釋放到周圍環境中去。無論是涉及細胞或酶的反應中，釋放出的熱量都應及時移去，以免影響過程的正常進行，為此在生物反應器中一般都附有冷卻裝置。