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生物发酵工艺放大关键参数及节造步骤钻研2023-08-22

生物发酵是指利用生物（通常为微生物或细胞），在合适的前提下，将原料经过特定的代谢蹊径转化为人类所需产品的过程。这些有效的代谢产品、蛋白表白产品等产品，宽泛利用于医药工业、食品工业、能源工业、化学工业、农业等领域，与人们的日常生涯密不成分。在生物发酵工程中，若何将尝试室钻研的前提进行有效放大，从而直接利用于出产，一向是困扰生物发酵利用的问题。由于生物反映的影响成分较多，发酵罐内的反映是封关反映，若何通过有效地节造参数，使放大过程不会对生物发酵过程产生影响，一向是生物发酵行业钻研的沉点。在生物发酵反映放大过程中，罐内的流动状态随着体积的增长而产生显著变动。流场变动也会导致温度、溶氧等一系列参数的变动，从而使整个反映系统产生扭转。文章对生物发酵工艺放大的影响成分和相应节造参数进行单一整顿和介绍，为现实生物发酵放大过程中的参数选择提供参考。

1 生物发酵工艺放大的影响成分

1.1 传质与混合

传质过程是物质的传递过程，生物发酵过程中传质活动是随着生物反映同时进行的，重要的传质过程分为气液吸收和液体传质两种。物质在液相内传递重要是由于生物发酵罐搅拌桨带头的涡流扩散。在常用的生物发酵造就中，传质过程极度沉要。优良的传质能够保障微生物及细胞造就和发育必要的氧、营养物和代谢产品。体积溶氧系数是影响传质最沉要的成分，但是由于生物发酵罐内流场极度复杂，影响成分较多，体积溶氧系数分析较作难题。

另一个直接影响生物发酵罐工艺放大的关键参数就是混合的过程。常见的生物发酵反映混合蕴含液-液混合、固-液混合、气-液混合及气液-固三相混合。由于发酵罐的体积增长和发酵产品与原料的增长直接导致罐体内混合不均匀，好比发酵罐顶部物质的混合相对底部较作难题�？蒲У卦龀し⒔凸弈诟魑镏实幕旌�，能够提高生物发酵的效能。

1.2 剪切

传统概想以为，增长生物发酵罐的搅拌速度能够加强发酵过程的传质和混合，但是随着深刻钻研发现，好多生物发酵失败是由于生物发酵指标物受到过大的剪切力而导致微生物和细胞粉碎，好比在微生物发酵系统中，过高的剪切力会对菌体的成长造成中伤；过低的剪切力不利于气泡破碎，影响空气传布的效能。若何科学地增长发酵罐内各物质的混合，同时将剪切应力节造在微生物和细胞能够接受的领域，是发酵放大工艺的沉要成分。

1.3 传热

温度也是生物发酵过程的沉要成分。生物发酵罐的温度节造重要是通过夹套层进行温度节造。但是由于大型生物发酵罐随着罐内体积的增大，单元受热的表表积变幼。因而，传热的效能会直接影响生物发酵指标物的出产效能。

1.4 其他成分

生物发酵罐放大工艺中还有其他成分会影响发酵过程，好比生物发酵的补气、补料速度和进样口设置等参数城市对发酵过程产生影响。受工艺限度，出产型生物发酵罐无法像尝试室的生物发酵过程能够对各类基质、产品、代谢物浓度实时进行检测，因而若何科学地设计补料和进气的速度和量极度关键。同时，补料和补气也必要综合思考表观气速，预防产生“液泛”景象。

2 生物发酵工艺步骤关键节造参数

2.1 搅拌

常用的搅拌式生物发酵罐混合模式就是搅拌桨旋转带头整个发酵液的混合。发酵罐搅拌参数的节造重要是通过转速节造进行。转速节造除了要思考提高转速，提高混合效能，还必须将转速节造在合理的领域内，转速过高会导致发热量增长，增长细胞受到的剪切力，使发酵失败。此表，经过钻研发现，发酵体积系统流型、搅拌桨选型和直径城市影响生物发酵的效能。在大型生物发酵过程中，除了转速，搅拌桨种类和空间地位的选择也极度沉要，要凭据造就物质的流体性质选择相宜的搅拌桨种类。目前通常使用的是轴流桨与径流桨的组合桨，将微观液流和宏观流场结合，提高整个生物发酵系统物料混合的水平�；旌辖巴ǔＱ∪〉撞憔读魇缴喜阒崃魇�，能够有效保障灌顶参与的营养物质在轴流浆的作用下迅速散布到罐底，而罐底通入的空气也可能实时辰散，保障全罐整体循环流动，为整个微生物发酵提供相宜的环境。

2.2 温度

生物发酵罐凭据造就菌种的分歧，通常在26～37℃，特殊菌种的造就可能会在65℃。在发酵过程放大过程中，整个发酵罐体内的温度场会产生很大变动。在幼试及中试环节，由于罐体较幼，温度场较为均匀，而后在出产型发酵罐中，发酵罐的温度探头通常散布在罐体的下部，通常长度为100mm，在发酵液中的浸沫的部门50～60mm。生物发酵罐的加热和造冷方式通常是通过夹套水层进行，因而发酵罐的传热效能会直接影响整个罐体内温度的散布。夹套水层的温度和发酵罐温度探头的温度显示值并不能真正反映发酵罐内液体的温度�？蒲У亟形露忍酵钒膊�，同时凭据发酵系统的传热系数科学地设置发酵温度能够有效保障反映温度。

2.3 其他化学参数

生物发酵中对化学参数的节造，如p H值、溶氧等均会对发酵了局产生影响。以溶氧参数为例，在好氧生物过程中，氧气是微生物成长的沉要营养物质，然而由于氧气的底溶化度使其成为生化过程的关键底物，因而，维持氧气从气相到液相的充足供给是关键。理论上讲，提高通气量并增长造就液柱，能够有效耽搁气泡在造就液中的功夫，提升气液互换效能。但是这些参数也受到发酵罐成本的限度，同时，气泡分散水平和大幼也会影响氧气传布的效能。因而，必要综合思考各项成分，给出最适合的工艺设计放大步骤。

3 生物发酵工艺放大步骤

3.1 基于经验的放大步骤

传统生物发酵工艺放大过程大多是基于传统的经验步骤。在生物发酵过程中，搅拌桨的速度、安插、空气通气量、补料流量及其他化学参数等一系列参数会影响发酵产量。使用者会凭据以前或者其他发酵工艺设置选择类似的工艺过程，选择相应的发酵工艺放大参数；或是凭据传统经验对发酵罐中的流体力学进行预测，将罐内的各项参数几何放大，维持相对地位不变的步骤扩大发酵体积�；诰榈姆糯蟛街柚匾枪刈⒎⒔拖低衬诘墓丶问�，如容积传质系数、单元体积功率亏损、混应功夫等。该步骤通常只能用于单一的放大，无法对发酵罐中的流体力学和运动学特点进行有效预测。

3.2 基于推算流体力学的放大步骤

推算流体力学（CFD）是指凭据流体力学质量传递、动量传递、能量传递等微观方程，在推算机中模仿推算流体的运动法规。与基于经验的生物发酵工艺规划相比，选取CFD模仿技术有耗资少、与尺寸无关等特点，被宽泛利用于流体工程领域。CFD模仿重要是通过模仿生物发酵罐内的流场、搅拌功率及气含率，同时在生物发酵罐气液两相流模型中耦合溶氧传质模型，能够模仿同期发酵过程中的溶氧传质过程和生化反映过程。

随着模仿推算技术的发展，CFD越来越多地利用在生物发酵放大过程的模仿中，但是由于气液两相流极度复杂，在预测过程中对气含率、气泡等参数的钻研仍需进一步深刻。

4 实现语

生物发酵的过程是一个复杂的多成分影响的过程。固然传统的搅拌式生物反映器在结构上相对比力单一，但是在现实反映过程中发酵罐内流体的现实过程极度复杂。尤其是在生物发酵的放大过程中，必要综合思考多种成分进行步骤学放大。传统的基于经验的放大工艺只能进行单一的放大，无法真实模仿发酵罐中各项系统的真实数据。除了保障发酵物的成长环境与尝试室一致，还必要把稳节约能耗�；谕扑懔魈辶ρУ�，更科学的分析模仿步骤能够更正确地预测生物发酵放大工艺的预测和模仿，为生物发酵放大的工艺选择提供有效的凭据和参考。

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