在1970年初, 人们才意识到对于反应器放大问题, 并不应仅仅考虑溶氧传质问题, 而还应该考虑如下一系列问题:(1) 体积传热效率;(2) 混合效率;(3) 剪切问题, 例如搅拌器叶端速率;(4) 表观气速问题, 例如引起“液泛现象”。
对于特定的发酵系统, 任何一种因素都可能是最关键的反应器放大控制因素, 忽略其中任意一个都可能导致放大失败。
二、发酵过程优化与放大
一般传统的放大方法,只考虑到操作条件及发酵罐几何尺寸,并没有考虑到发酵过程中微生物本身的特性和培养基的不同性质。由于微生物是一个极为复杂的反应器,对培养基的性质和培养条件要求也不同。由于目前对微生物的了解程度远远不够,因此目前的放大大部份还是落实到了以动力学为基础进行几何放大等方面,最终还是主要依靠经验公式进行放大,所取得的效果并不理想。张嗣良(华东理工大学教授)认为采用以动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法,实质上只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的延伸,往往忽视细胞代谢流的存在。进而提出了以细胞代谢流的分析与控制为核心的生物反应工程学的观点,建立了基于参数相关的发酵过程多水平问题研究的优化技术和发酵过程多参数调整的放大技术。
2.1、生物反应器过程的多尺度理论──发酵过程优化与放大基础
发酵过程多水平问题实质上是多尺度问题。对于活体细胞调控来说,应该对生物反应器中的多尺度问题进行综合考虑。例如从基因分子遗传(遗传物质DNA、RNA的变化)、细胞代谢调节(合成代谢、分解代谢及其相互关系)、反应器工程特性(化学工程三传(动量、质量、热量))三个尺度进行关联分析。存在问题:1、工业规模的生物过程只能在反应器尺度上进行测量与操作;2、可以从低一尺度层次的规律或性质,来预测研究另一尺度层次的规律或性质;3、多尺度综合与各子过程的相互量化关系,澄清不同尺度间相互作用和耦合的原则和条件 ;4、跨尺度操作是难题,分析跨尺度问题往往需要纳入跨学科和跨技术的手段。基本方法:1、基于参数相关的发酵过程多水平(尺度)问题研究的优化技术;2、发酵过程多参数调整的放大技术。