生物發(fā)酵是指利用生物（通常為微生物或細(xì)胞），在適宜的條件下，將原料經(jīng)過(guò)特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為人類所需產(chǎn)物的過(guò)程。這些有用的代謝產(chǎn)物、蛋白表達(dá)產(chǎn)物等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、能源工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，與人們的日常生活密不可分。在生物發(fā)酵工程中，如何將實(shí)驗(yàn)室研究的條件進(jìn)行有效放大，從而直接應(yīng)用于生產(chǎn)，一直是困擾生物發(fā)酵應(yīng)用的問(wèn)題。由于生物反應(yīng)的影響因素較多，發(fā)酵罐內(nèi)的反應(yīng)是封閉反應(yīng)，如何通過(guò)有效地控制參數(shù)，使放大過(guò)程不會(huì)對(duì)生物發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生影響，一直是生物發(fā)酵行業(yè)研究的重點(diǎn)。在生物發(fā)酵反應(yīng)放大過(guò)程中，罐內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)隨著體積的增加而發(fā)生明顯變化。流場(chǎng)變化也會(huì)導(dǎo)致溫度、溶氧等一系列參數(shù)的變化，從而使整個(gè)反應(yīng)體系發(fā)生改變。文章對(duì)生物發(fā)酵工藝放大的影響因素和相應(yīng)控制參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單整理和介紹，為實(shí)際生物發(fā)酵放大過(guò)程中的參數(shù)選擇提供參考。
傳質(zhì)過(guò)程是物質(zhì)的傳遞過(guò)程，生物發(fā)酵過(guò)程中傳質(zhì)活動(dòng)是隨著生物反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的，主要的傳質(zhì)過(guò)程分為氣液吸收和液體傳質(zhì)兩種。物質(zhì)在液相內(nèi)傳遞主要是由于生物發(fā)酵罐攪拌槳帶動(dòng)的渦流擴(kuò)散。在常用的生物發(fā)酵培養(yǎng)中，傳質(zhì)過(guò)程非常重要。良好的傳質(zhì)可以保證微生物及細(xì)胞培養(yǎng)和發(fā)育必要的氧、營(yíng)養(yǎng)物和代謝產(chǎn)物。體積溶氧系數(shù)是影響傳質(zhì)最重要的因素，但是由于生物發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)十分復(fù)雜，影響因素較多，體積溶氧系數(shù)分析較為困難。
另一個(gè)直接影響生物發(fā)酵罐工藝放大的關(guān)鍵參數(shù)就是混合的過(guò)程。常見(jiàn)的生物發(fā)酵反應(yīng)混合包括液-液混合、固-液混合、氣-液混合及氣液-固三相混合。由于發(fā)酵罐的體積增加和發(fā)酵產(chǎn)物與原料的增加直接導(dǎo)致罐體內(nèi)混合不均勻，比如發(fā)酵罐頂部物質(zhì)的混合相對(duì)底部較為困難。科學(xué)地增加發(fā)酵罐內(nèi)各物質(zhì)的混合，可以提高生物發(fā)酵的效率。
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，增加生物發(fā)酵罐的攪拌速率可以加強(qiáng)發(fā)酵過(guò)程的傳質(zhì)和混合，但是隨著深入研究發(fā)現(xiàn)，很多生物發(fā)酵失敗是由于生物發(fā)酵目標(biāo)物受到過(guò)大的剪切力而導(dǎo)致微生物和細(xì)胞破壞，比如在微生物發(fā)酵體系中，過(guò)高的剪切力會(huì)對(duì)菌體的生長(zhǎng)造成傷害；過(guò)低的剪切力不利于氣泡破碎，影響空氣傳播的效率。如何科學(xué)地增加發(fā)酵罐內(nèi)各物質(zhì)的混合，同時(shí)將剪切應(yīng)力控制在微生物和細(xì)胞可以接受的范圍，是發(fā)酵放大工藝的重要因素。
溫度也是生物發(fā)酵過(guò)程的重要因素。生物發(fā)酵罐的溫度控制主要是通過(guò)夾套層進(jìn)行溫度控制。但是由于大型生物發(fā)酵罐隨著罐內(nèi)體積的增大，單位受熱的表面積變小。因此，傳熱的效率會(huì)直接影響生物發(fā)酵目標(biāo)物的生產(chǎn)效率。
生物發(fā)酵罐放大工藝中還有其他因素會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程，比如生物發(fā)酵的補(bǔ)氣、補(bǔ)料速度和進(jìn)樣口設(shè)置等參數(shù)都會(huì)對(duì)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生影響。受工藝限制，生產(chǎn)型生物發(fā)酵罐無(wú)法像實(shí)驗(yàn)室的生物發(fā)酵過(guò)程可以對(duì)各種基質(zhì)、產(chǎn)物、代謝物濃度實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，因此如何科學(xué)地設(shè)計(jì)補(bǔ)料和進(jìn)氣的速度和量十分關(guān)鍵。同時(shí)，補(bǔ)料和補(bǔ)氣也需要綜合考慮表觀氣速，避免產(chǎn)生“液泛”現(xiàn)象。
常用的攪拌式生物發(fā)酵罐混合模式就是攪拌槳旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)發(fā)酵液的混合。發(fā)酵罐攪拌參數(shù)的控制主要是通過(guò)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行。轉(zhuǎn)速控制除了要考慮提高轉(zhuǎn)速，提高混合效率，還必須將轉(zhuǎn)速控制在合理的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量增加，增加細(xì)胞受到的剪切力，使發(fā)酵失敗。此外，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵體積體系流型、攪拌槳選型和直徑都會(huì)影響生物發(fā)酵的效率。在大型生物發(fā)酵過(guò)程中，除了轉(zhuǎn)速，攪拌槳種類和空間位置的選擇也十分重要，要根據(jù)培養(yǎng)物質(zhì)的流體性質(zhì)選擇合適的攪拌槳種類。目前通常使用的是軸流槳與徑流槳的組合槳，將微觀液流和宏觀流場(chǎng)結(jié)合，提高整個(gè)生物發(fā)酵體系物料混合的程度。混合槳一般采用底層徑流式上層軸流式，可以有效保證灌頂加入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在軸流漿的作用下迅速分布到罐底，而罐底通入的空氣也能夠及時(shí)分散，保證全罐整體循環(huán)流動(dòng)，為整個(gè)微生物發(fā)酵提供合適的環(huán)境。
生物發(fā)酵罐根據(jù)培養(yǎng)菌種的不同，一般在26～37℃，特殊菌種的培養(yǎng)可能會(huì)在65℃。在發(fā)酵過(guò)程放大過(guò)程中，整個(gè)發(fā)酵罐體內(nèi)的溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生很大變化。在小試及中試環(huán)節(jié)，由于罐體較小，溫度場(chǎng)較為均勻，然后在生產(chǎn)型發(fā)酵罐中，發(fā)酵罐的溫度探頭通常分布在罐體的下部，一般長(zhǎng)度為100mm，在發(fā)酵液中的浸沫的部分50～60mm。生物發(fā)酵罐的加熱和制冷方式通常是通過(guò)夾套水層進(jìn)行，因此發(fā)酵罐的傳熱效率會(huì)直接影響整個(gè)罐體內(nèi)溫度的分布。夾套水層的溫度和發(fā)酵罐溫度探頭的溫度顯示值并不能真正反映發(fā)酵罐內(nèi)液體的溫度。科學(xué)地進(jìn)行溫度探頭布置，同時(shí)根據(jù)發(fā)酵體系的傳熱系數(shù)科學(xué)地設(shè)置發(fā)酵溫度可以有效保證反應(yīng)溫度。
生物發(fā)酵中對(duì)化學(xué)參數(shù)的控制，如p H值、溶氧等均會(huì)對(duì)發(fā)酵結(jié)果產(chǎn)生影響。以溶氧參數(shù)為例，在好氧生物過(guò)程中，氧氣是微生物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，然而由于氧氣的底溶解度使其成為生化過(guò)程的關(guān)鍵底物，因此，保持氧氣從氣相到液相的充足供應(yīng)是關(guān)鍵。理論上講，提高通氣量并增加培養(yǎng)液柱，可以有效延長(zhǎng)氣泡在培養(yǎng)液中的時(shí)間，提升氣液交換效率。但是這些參數(shù)也受到發(fā)酵罐成本的限制，同時(shí)，氣泡分散程度和大小也會(huì)影響氧氣傳播的效率。因此，需要綜合考慮各項(xiàng)因素，給出最適合的工藝設(shè)計(jì)放大方法。
傳統(tǒng)生物發(fā)酵工藝放大過(guò)程大多是基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法。在生物發(fā)酵過(guò)程中，攪拌槳的速度、布置、空氣通氣量、補(bǔ)料流量及其他化學(xué)參數(shù)等一系列參數(shù)會(huì)影響發(fā)酵產(chǎn)量。使用者會(huì)根據(jù)以前或者其他發(fā)酵工藝設(shè)置選擇相似的工藝過(guò)程，選擇相應(yīng)的發(fā)酵工藝放大參數(shù)；或是根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)發(fā)酵罐中的流體力學(xué)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將罐內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)幾何放大，保持相對(duì)位置不變的方法擴(kuò)大發(fā)酵體積。基于經(jīng)驗(yàn)的放大方法主要是關(guān)注發(fā)酵體系內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，如容積傳質(zhì)系數(shù)、單位體積功率消耗、混合時(shí)間等。該方法通常只能用于簡(jiǎn)單的放大，無(wú)法對(duì)發(fā)酵罐中的流體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。
計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是指根據(jù)流體力學(xué)質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞、能量傳遞等微觀方程，在計(jì)算機(jī)中模擬計(jì)算流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。與基于經(jīng)驗(yàn)的生物發(fā)酵工藝方案相比，采用CFD模擬技術(shù)有耗資少、與尺寸無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于流體工程領(lǐng)域。CFD模擬主要是通過(guò)模擬生物發(fā)酵罐內(nèi)的流場(chǎng)、攪拌功率及氣含率，同時(shí)在生物發(fā)酵罐氣液兩相流模型中耦合溶氧傳質(zhì)模型，可以模擬同期發(fā)酵過(guò)程中的溶氧傳質(zhì)過(guò)程和生化反應(yīng)過(guò)程。
隨著模擬計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，CFD越來(lái)越多地應(yīng)用在生物發(fā)酵放大過(guò)程的模擬中，但是由于氣液兩相流十分復(fù)雜，在預(yù)測(cè)過(guò)程中對(duì)氣含率、氣泡等參數(shù)的研究仍需進(jìn)一步深入。
生物發(fā)酵的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多因素影響的過(guò)程。雖然傳統(tǒng)的攪拌式生物反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際反應(yīng)過(guò)程中發(fā)酵罐內(nèi)流體的實(shí)際過(guò)程十分復(fù)雜。尤其是在生物發(fā)酵的放大過(guò)程中，需要綜合考慮多種因素進(jìn)行方法學(xué)放大。傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的放大工藝只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大，無(wú)法真實(shí)模擬發(fā)酵罐中各項(xiàng)體系的真實(shí)數(shù)據(jù)。除了保證發(fā)酵物的生長(zhǎng)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室一致，還需要注意節(jié)約能耗。基于計(jì)算流體力學(xué)等，更科學(xué)的分析模擬方法可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)生物發(fā)酵放大工藝的預(yù)測(cè)和模擬，為生物發(fā)酵放大的工藝選擇提供有效的依據(jù)和參考。
