生物反应动力学生物反应器的设计放大与缩小-化学反应工程
生物反应器的规模放大技术研究
生物反应器的规模放大技术研究在生物工程领域，生物反应器的规模放大是将实验室或小规模的生物技术过程转化为大规模工业生产的关键步骤。
这一过程并非简单地按比例增加反应器的尺寸，而是涉及到一系列复杂的技术问题和挑战。
生物反应器的规模放大旨在提高生产效率、降低成本，并保证产品质量的一致性和稳定性。
然而，从小规模到大规模的转变过程中，许多因素会发生显著变化，如传质、传热、混合效果等。
首先，传质是一个重要的考虑因素。
在小规模反应器中，物质的传递通常较为迅速和均匀，而在大规模反应器中，由于体积增大，物质的扩散距离增加，导致传质效率降低。
例如，氧气的供应对于细胞培养至关重要，如果传质不足，可能会限制细胞的生长和代谢，从而影响产物的产量和质量。
其次，传热也是一个关键问题。
大规模反应器中产生的热量更多，如果不能有效地散去热量，会导致局部温度过高，影响生物反应的正常进行，甚至可能导致细胞死亡或酶失活。
混合效果在规模放大中同样不容忽视。
良好的混合能够确保反应体系中各组分均匀分布，维持稳定的反应环境。
但随着反应器规模的增大，混合难度增加，容易出现浓度梯度和温度梯度，从而影响反应的均一性。
为了解决这些问题，研究人员采用了多种策略和技术。
在传质方面，改进通气方式是常见的方法之一。
例如，采用微泡曝气、膜曝气等技术，可以提高氧气的传质效率。
同时，优化搅拌桨的设计和转速，增强流体的流动和混合，有助于改善传质效果。
对于传热问题，设计高效的热交换系统是关键。
可以采用夹套式、盘管式或外置换热器等方式，增加传热面积，提高散热效率。
此外，选择合适的冷却介质和控制其流速也能对传热效果产生重要影响。
在混合方面，通过模拟和实验研究，优化搅拌桨的类型、数量、安装位置和角度等参数，以实现更好的混合效果。
此外，采用多桨组合、分段搅拌等方式也可以提高混合的均匀性。
除了上述物理因素，生物因素在规模放大中也需要考虑。
不同规模下，细胞或微生物的生长环境和代谢行为可能会发生变化。
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生物制药技术中的生物反应器扩大生产与工程规模转化方法解析
生物制药技术中的生物反应器扩大生产与工程规模转化方法解析随着科技的发展和人类对健康的关注日益增加，生物制药技术在医药领域扮演着越来越重要的角色。
生物反应器作为生物制药工艺中的核心设备之一，起着扩大生产规模和提高生产效率的关键作用。
本文将对生物制药技术中的生物反应器扩大生产与工程规模转化方法进行解析，包括生物反应器的设计原则、工程规模的转化方法以及质量控制的重要性。
生物反应器设计是生物制药工艺中的重要环节，其设计原则对于实现高效扩大生产具有决定性的影响。
首先，反应器的物料流动性和混合性是设计时需要考虑的关键因素。
良好的物料流动性和混合性可以保证底物和生物催化剂的充分接触，提高反应效率。
其次，反应器的控温性和可控性也是至关重要的。
在生物制药过程中，保持合适的温度可以提高底物转化率和产物纯度，并延长菌种的寿命。
此外，反应器的废气处理、消泡装置等附属设备也需要在设计中充分考虑。
在生物反应器设计完成后，如何实现工程规模的转化也是一个关键的问题。
首先，需要对生物反应器的放大比例进行合理的确定。
放大比例的确定需要综合考虑反应器的各项参数，包括体积、速率、温度等。
其次，根据放大比例进行反应器的扩建。
在扩建过程中，需要遵循良好的工程规范，保证设备的安装质量和操作安全。
还需要对扩建后的反应器进行完善的调试和试验，确保其操作性能和产品质量符合预期。
生物反应器的扩大生产和工程规模转化并不是一帆风顺的，需面临许多技术和管理上的挑战。
其中一个重要挑战是控制质量的稳定性。
生物制药过程涉及复杂的生化反应和微生物培养，对环境条件和原材料的要求非常高。
因此，进行质量控制是确保扩大生产和工程规模转化顺利进行的关键步骤。
其中包括建立科学的质量标准和检测方法，提高产品的一致性和可追溯性。
同时，通过严格的生产过程控制和质量管理体系，及时进行异常监测和处理，以确保产品质量的稳定性和安全性。
除了质量控制，生物反应器的扩大生产和工程规模转化还需要考虑可持续发展的因素。
生物工程设备第五章 生物反应器的放大与控制
又因为
D ug (VVM ) pL
所以
(VVM )2 ( D1 )23 ( pL2 )
(VVM )1 D2
pL1
QG ug Di2,VL: Di3
第二篇 生物反应设备
第五章 生物反应器的放大与控制
生物反应器的放大过程
1）利用实验室规模的反应器进行种子筛选和 工艺试验；
2）在中间规模的反应器中试验（中试），确 定最佳的操作条件；
3）在大型生产设备中投入生产。
放大的重要性
为生物技术产品从实验室到工业生产的关键。
对一个生物反应过程，在不同大小反应器中进行 生物反应虽相同，但三传有明显差别，从而导致 不同反应器中生物反应速率有差别。
放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数
H1 H2 常数 D1 D2
V2 V1
D2 D1
3
m
所以
H2
1
m3
和
D2
1
m3
H1
D1
H1,H2-模型反应器和放大反应器的高度，m；D1,D2-模型反应 器和放大反应器的内径，m；V1,V2-模型反应器和放大反应器 的体积，m3；
（二）以单位体积液体中搅拌功 率相同放大
ug
60Q0 (273 t) 9.8 104
4
Di 2
273
pL
27465.6(VVM )(273 t)VL Di2 pL
Q0
ug pL Di2 27465.6 (273 t)VL
VVM
ug pL Di2
27465.6 (273 t)VL
（四）以空气线速度相同的原则 进行放大
u g1 u g2
欲使整个生物反应器处于最优条件下进行操作， 必须使反应器中每个细胞都处于最优环境之下， 达到整体优化。
生物工程设备_第六章生物反应器的比拟放大
通风发酵罐的放大设计
机械搅拌通风发酵罐的经验放大 • 以体积溶氧系数kLa(或kd)相等为基准的放大法 高好氧发酵通常应用等kLa的原则进行反应器放大 通气搅拌发酵罐的主要参数及计算公式：
（1）不通气的搅拌功率P0＝NPρN3Di5
（2）通气搅拌功率Pg＝2.25×10-3（ P0 NDi3/Q0.08)0.39
Di2 L 350/ 60(0.125 ) 1020 Re 4.13104 3 2.2510
2
故发酵系统属充分湍流，功率系数NP=6.0。故两组叶轮的不通气时搅拌功率为：
350 5 p0 2 N P 3 L Di5 2 6 (KW) 1020 0.125 74.1(W) 0.0741 60
放大问题 否 是
衡算方程知否
否 是 否 分析解有否 否 是 是
参数都知道
因次分析
计算机求解
求解衡算方程
确定模式
有关参数研究 初拟放大规则
小型装置研究
进一步研究
确定最终放大原则
模式分析
• 1）该系统由哪些机理控制？ • 2）起关键作用的是何控制？ 反应控制 传质控制 混合控制 …… • 3）反应器规模改变时，此机理作何变化？
二 生物反应器放大方法
• 生物反应器的传递现象与控制受： 对流和扩散控制 • 对流传递过程的时间常数为： tf=L/v
• 式中 度,m/s L-反应器特征尺寸，m v----反应溶液对流运动速
• 反应器放大前后传递时间常数tf与反应转化常数tc（tc是基质浓度与反应 速度的比值）之比值维持不变，则放大前后反应器的性能可维持不变 • 对剪切敏感易受伤的细胞，放大过程还必须检测生物细胞对剪切作用的 影响
第七章 生物反应器及其工程放大7
7.6.2 通风发酵罐的放大 7-7生物反应器的比拟放大
例题：有一5m3 生物反应器，罐径为 1.4m，装液量4m3 ，液深2.7m，采用六弯叶涡 轮搅拌器，叶径为0.45m，搅拌转速 N=190r/min ，通风比 1:0.2 ，发酵液密度为 1040kg/m3 ，发酵液粘度为1.06×10-3Pa· s，现 需放大至 50m3 罐进行生产，试求大罐尺寸和 主要工艺条件。
PG 有Moo-Young提出的计算的kLa方程式 k a 0.025 L V L 可知，大小罐的气体空塔速度也相等。
0.4
w s 0.5
思考题
通用式发酵罐放大时，放大比例一般为10，若放大前后以 下参数中的一个保持一定不变，其余参数将如何变化？ (1)Pg/VL（单位体积功耗）；(2)N（搅拌转速）；(3)NDi（搅 拌浆顶端线速度）；（4）Di2Nρ/μ（搅拌雷诺准数）。
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
生物反应器放大的目的及方法 生物反应器放大的目的 一种生物制品的生产在实验室的小的生物反应器中取得 了好的成绩，如何将这种效果在大型反应器中实现，这就是 生物反应器放大要解决的问题。
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
计算流体力学法 任何流体的流动都服从动量、质量和能量守恒原理，这些 原理可由数学模型来表达。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics-CFD)的方法就是用电子计算机和离散化的数值方法 对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个流体力学新分支。 该方法具有与反应器规模及几何尺寸无关的潜在优点，并克服 了经验关联及流体结构模型所固有的缺点。但由于SBR中的流 动常具有三维性、随机性、非线性及边界条件的不确定性，使 得同时考虑气液固多相流动及其对生化反应的相互作用及实际 发酵物系的实验验证等存在很多困难。
反应工程名解及简答题
反应⼯程名解及简答题第0章1. ⽣物技术产品的⽣产过程主要由哪四个部分组成？答：（1）原材料的预处理；（2）⽣物催化剂的制备；（3）⽣化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。
2. 什么是⽣化反应⼯程,⽣化反应⼯程的研究的主要内容是什么?以⽣化反应动⼒学为基础，运⽤传递过程原理及⼯程学原理与⽅法，进⾏⽣化反应过程的⼯程技术分析、开发以及⽣化反应器的设计、放⼤、操作控制等综合边缘学科。
主要内容：⽣物反应动⼒学和⽣物反应器的设计，优化和放⼤。
3. ⽣物反应过程的主要特点是什么？1.采⽤⽣物催化剂，反应过程在常温常压下进⾏，可⽤DNA重组及原⽣质体融合技术制备和改造2.采⽤可再⽣资源3.设备简单，能耗低4.专⼀性强，转化率⾼，制备酶成本⾼，发酵过程成本低，应⽤⼴，但反应机理复杂，较难控制，反应液杂质较多，给提取纯化带来困难。
4. 研究⽅法经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体⼒学研究法。
5. 在建⽴⽣物反应过程数学模型时，常按下述⼏个步骤进⾏：（1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究；（3）过程分离原理；（4）数学模型的建⽴。
第1章1. 酶作为⽣物催化剂具有那些催化剂的共性和其独特的催化特性？谈谈酶反应专⼀性的机制。
催化共性:降低反应的活化能，加快⽣化反应的速率；反应前后状态不变.催化特性:⾼效的催化活性;⾼度的专⼀性;酶反应需要辅因⼦的参与;酶的催化活性可被调控;酶易变性与失活。
机制：锁钥学说；诱导契合学说2. 什么叫抑制剂？某些物质，它们并不引起酶蛋⽩变性，但能与酶分⼦上的某些必需基团（主要是指活性中⼼上的⼀些基团）发⽣化学反应，因⽽引起酶活⼒下降，甚⾄丧失，致使酶反应速率降低，能引起这种抑制作⽤的物质称为抑制剂。
1.2 简单酶催化反应动⼒学（重点之重点）详细介绍简单酶催化反应模型、快速平衡法、拟稳态法以及酶动⼒学参数的求取⽅法(重点为L-B法和E-H法）。
第七章 生物反应器的放大讲解
( 3.4 )5 3.58
1080
62.7KW
而实际装液量为75%，HL=8.54m,D/d=3.58,
H L 8.54 8.99 d 0.95
P10
1 3
(D)*(HL
d
d
) * P0
1 3
3.58 8.99 62.7 119KW
选用三层搅拌器，m=3,
P30 P10(0.4 0.6m) 119 (0.4 0.63) 262KW
a exp(bQg ),
a, b为与气体流速和搅拌器直径有关的系数
例题
• 采用100m3机械搅拌通风式发酵罐进行谷氨酸发酵，已知
发酵液密度＝1080Kg / m3，粘度为＝210－3 Pa s,
D 3.4m, D / d 3.58, H 10m, H L 8.54m,装液量为75%，采用 六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，三组，转数n 150r / min ， 通风比为Q＝0.2v v m, 求Pg
3、无通气时非牛顿型流体的搅拌轴功率
• 非顿型流体的，特别是高黏度流体要达到充分的湍流状态几乎是不可能的，
而功率准数总是和Re相关。
Re
Nd 2L a
• 对于细胞反应，大部分流体为拟塑性流体，又称为幂律流体，其表现粘度可 表示为：
a
K
n1, Re
Nd 2L K n1
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验， 找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
3）按几何相似原则确定大罐尺寸：
取H/D=2.4,HL/D=1.5,D/d=3，有效容积60%，忽略封底 容积，则液体体积为
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生物反应过程的分类及其特征
分类 反应水平 酶催化反 应 分子水平 单一细胞反 应过程 细胞水平 多细胞反应过 程 细胞水平 动植物细胞 反应体系 细胞或组织 水平
底物数量
产物数量 反应的复杂性 反应速率或生 长速率
1-2种
1-2种
若干种
细胞和若干 种代谢产物
若干种
若干种菌体和 CO2、CH4等
若干种
三、新时期（20世纪90年代）
基因工程技术与生物反应工程技术不断 的融合，人类基因组计划的完成，后基因 组计划的进行，给生物反应工程技术带来 新的发展机遇。 质粒复制与表达动力学 超临界相态下的生物反应 界面微生物生长模型 双液相生物反应
1.3生物反应工程的主要内容
生物反应工程是以工业规模的生物反应 过程为主要研究对象，具体研究中要兼顾可 操作性，生物反应工程的研究内容为下述2项，
1979年，日本山根恒夫《生物反应工 程》，生物反应工程是一门以速率为基础， 研究酶反应、微生物反应及废水处理过程 的合理设计、操作和控制的工程学。 1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生 物反应工程的研究应当包括两个方面，一 是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理 之间的相互关系；二是生物反应器工程， 它主要涉及不同的反应器对生物化学和物 理过程的影响。
2 反应工程的用途、作用
反应动力学
反应模式 速率方程 活化能
反应器的设计与分析
各因素（T, P, c）的变化规律 最佳工况
研究目的：
提供适宜的动力学方程，以描 述微生物（酶、动植物等）反应体 系，确定这些方程在设计方面的用 途，规划实验室的实验，决定动力 学方程所需的速率常数。
1.2生物反应工程的erch制药厂因在建立抗 生素工业中由于解决了高效通气搅拌技术、 无菌空气过滤技术、大型反应器灭菌等一 系列工程技术问题，使以青霉素为代表的 微生物发酵工业进入一个新的发展阶段， 而被授予“生化工程专题研究”成果奖， 一门反映生物和化学工程交叉的学科—— 生物化学工程诞生，并取得了快速的发展。
动物细胞反应器
用于新型基因工程药物、疫苗 及抗体等产品的研究和生产。 具有如下特点 磁力驱动搅拌装置； 根据流体运动几何学专门 设计的符合动物细胞培养的搅 拌浆叶； 配置符合动物细胞培养的 专用卫生级隔膜阀、取样阀； 具有符合动物细胞培养特 点的专用高级软件包.
植物细胞反应器
光生物反应器
适用于藻类的培养，反应 过程中提供了充足的光照，比 表面积大。光生物反应器分扁 平箱式光培养器（ LLS ）和 圆筒形光培养器（ LLG ）。 扁平箱式光培养器两侧外部窄 面是温度控制循环水夹套，两 侧外部宽面内配光源，培养器 内有气流导板，通入空气使培 养液混合均匀。圆筒形光培养 器的透明玻璃筒体外装有人造 光源，筒体下部是温度控制循 环水夹套，同时装备有机械搅 拌桨，特别适用于藻细胞浓度 较高的培养。
得率系数
研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律， 常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物 的潜力进行定量评价。例如：
生成细胞的质量 X 细胞得率 Yx/c= 消耗基质的质量 S
生物反应器的设计、优化与放大
生物反应器是使生物技术转化为产品 生产力的关键设备，使用高效率生物反应 器的目的是提高产品生成速率，减少有关 辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大 的经济效益。
21世纪高等院校 —生物工程类
生物反应工程
Bioreation Engineering
李敬
第一章 绪论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 生物反应工程的研究目的 生物反应工程的发展过程 生物反应工程的主要内容 生物反应工程的研究方法 思考题
1.1生物反应工程的研究目的
生物技术产品生产过程
生物催化剂 - enzyme - microbioass - animal and plant cell
生物反应动力学 生物反应器的设计、放大与缩小
生物反应动力学
生物反应动力学主要研究生物反应速率 和各种因素对反应速率的影响，它是生物 反应工程学的理论基础之一，这里所讨论 计算反应 的生物反应动力学包含两个层次的动力学。 时间和反 应器体积 （1）本征动力学，又称微观动力学。 （2）宏观动力学，又称反应器动力学。
生物反应器的设计，包括反应器型式、 结构和操作方式的选择，以及反应器几何 尺寸的确定。
机械搅拌罐
气升式发酵罐
（1）能精确地测量并控制 温度、 pH 值和溶解氧浓度。 （2）气流搅拌，剪切力小。 （3）具有可靠的抗污染密封 性能；精密气体过滤器，能 有效而可靠地滤除空气中杂 菌； （4）适用于科研、生产单 位的新产品开发、新工艺研 究及生物医药产品的生产。
FERMENTATION
原材料
DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification - waste treatment by product recovery
生物反应工程定义：
以生物反应动力学为基础，研究生 物反应器的设计、放大和生物反应过 程的优化操作和控制的学科。
细胞或组织 或若干种产 物
简单
快
一般
一般
复杂
慢
很复杂
很慢
细胞反应动力学
考虑细胞之间有无差别可分为概率论和确定论模型 实际 考虑细胞组成变化可分为结构模型和非结构模型 情况
（1）概率论的结构模型 （2）概率论的非结构模型理想 情况 （3）确定论的结构模型 （4）确定论的非结构模型
化学计量学
细胞反应中参与反应的培养基成分多，反应途 径复杂。必须用化学计量学方法来处理，可将反应 器中细胞的活动用元素的平衡式来表示。 碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO2+H2O CHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHuOvNw +eH2O+fCO2 C: 1=c+d+f H: m+3b=cx+ud+2e O: n+2a=cy+vd+e+2f N: b=zc+wd
二、发展时期（20世纪50年代以后）
1964年，Aiba等认为放大是生化工程的 焦点，与微生物代谢反应紧密相连，1973年， 进一步指出，在大规模研究方面，应当进 一步开展对微生物反应本质的研究。 1971年，英国的Atkinson首先采用了生 物反应工程这一术语，1974年，在他编著的 《生物反应器》一书中指出，生物反应工 程的目的是描述微生物体系反应动力学的 合适表达式，并能够通过实验求出其常数。