導語

本次直播中，李雪良博士以“反應器中的流體與傳質問題及對工藝放大的影響”為主題，從傳質與流體力學的基本原理展開，解釋生物反應器關鍵設計參數與操作參數對其性能的影響。為觀眾提供工藝優(yōu)化和放大指導。

直播過程中收到很多觀眾提問，小編在下文中將問答進行整理，供各位觀眾回顧和參考。

錯過直播的朋友，可以掃描文末二維碼，關注“迪必爾生物”視頻號觀看回放。

Q1  在化學反應里碰到過氣膜阻力比液膜阻力還大，生物里都是氣膜阻力忽略嗎？

常規(guī)好氧發(fā)酵或者細胞培養(yǎng)，用空氣供氧的時候，氣膜阻力是遠遠小于液膜阻力的。如果用純氧，溶解在液體里的其他氣體分子會反擴散進純氧氣泡內，此時液膜阻力會比較顯著。

化學反應也不總是氣膜阻力大。只有當液相里的反應速率非常快，可以把液膜里的氣體分子瞬間消耗掉的時候，主要阻力才會是在氣膜里。

還有就是一些分子量較大的氣體，擴散系數比較慢，也會出現氣膜阻力更顯著的情況。

Q2   氣速是單位時間進氣量嗎？

“氣速”是一個通俗的說法，不嚴謹。

表觀氣速是氣體體積流量，除以容器橫截面。表觀氣速除以氣含率，是氣體相對靜止坐標系的平均速度。

我們一般說氣速，或者氣量，指的是氣體的體積流量。

Q3   怎么去考慮氣速的極限值呢？

限制一個反應器能通入的最高氣速的因素主要有以下幾個。

（1） 攪拌槳類型和攪拌轉速

（2） 體系發(fā)泡性能和消泡劑策略

綜合考慮可以看氣含率這個參數。攪拌釜反應器的氣含率一般不要超過15%,極限情況下不要超過20%。氣含率再升高，攪拌槳就使不上勁兒了，一拳打在棉花上，混合，傳熱都會出問題，甚至可能導致攪拌系統(tǒng)的機械故障。對不需要攪拌的鼓泡塔反應器，氣升式反應器來說，氣含率可以穩(wěn)定在30%。

Q4   細胞的固定化發(fā)酵過程中如何有效的增加傳質？

固定化發(fā)酵除了氣液傳質問題外，還有液固傳質的問題。根據固定化的方法不同，有不同的策略。但是整體來說，都是以增加能耗為代價的。

Q5   可以通過CFD以混合時間、KLa、氣含率、能量耗散率等參數為標準，將攪拌反應器過程放大或縮小到擺動Wave反應器模型嗎？

這個是可以的。對于細胞或者微生物來說，它其實不知道自己是在什么類型的反應器里的。它能感受到的只有它周圍100微米內的“微環(huán)境”。只要保證微環(huán)境一樣，細胞或者微生物就沒意見。

但是要注意，不同類型的反應器，可能無法同時做到所有微環(huán)境參數都一樣。需要根據參數的重要性進行取舍。其實哪怕是同一類型的反應器，也存在同樣的問題。

Q6  利用CFD模擬拉格朗日粒子模擬單個細胞并結合代謝模型，為什么這兩年做的人少了，您覺得未來的方向在哪里？

前些年華理發(fā)表過幾篇這方面的文章。也有跟國際上合作的。我覺得這個還是有人在做的，包括我自己也做一些。但是發(fā)文章可能不太容易了，尤其是都是使用商業(yè)軟件，沒有什么創(chuàng)新性可言，都是常規(guī)操作。

Q7  做生物反應器，是放大難，還是縮小更難？ 

從生物工藝和反應器設計本身來說，放大和縮小是一回事。是一條路的兩頭，從這頭往那頭看，是放大。從那頭往這頭看，是縮小。但是路還是同一條路。

如果從其他層面考慮，比如說反應器本身的加工制造，微型傳感器，取樣操作等等，那顯然縮小是更困難的。但是今天我們講的放大、縮小，是指工藝和操作參數的的放大與縮小。

Q8  可以利用CFD從3L反應器直接放大到100L的規(guī)模嗎，這樣情況下是不是會出現模型不準確的情況？

從3L放大到100L是沒有問題的。

模型準確不準確取決于用3L反應器做了哪些數據。我們需要在3L罐上模擬出來100L罐可能出現的情況，并把這些信息整合進CFD模型里去。僅僅靠CFD模擬，它能告訴我們流場特性，但是無法知道把細胞或者微生物放進這種流場里，會有什么結果。

Q9  新型攪拌槳的開發(fā)對于反應器優(yōu)良傳質的影響。

針對特殊應用，可以對攪拌系統(tǒng)進行優(yōu)化。但是，既然是優(yōu)化的，就不是通用的，這是魚與熊掌的問題。量身定做的衣服肯定最合適，但是穿在別人身上就不行了。

Q10  請問下CHOS細胞在反應器中活率隨著時間的推移降低比較快。同樣的細胞在搖瓶中，活率降低比較慢，這是什么原因？

具體的原因有很多，底物混合不均勻，細胞就饑一頓飽一頓。溫度控制不均勻，細胞就忽冷忽熱。溶氧不均勻，剪切應力分布不均勻。

簡單說就是，反應器大了，就無法保證所有位置條件都是最優(yōu)的。

Q11  目前傳質系數的測量方法，實際應用最廣泛的是哪個？測量準確度更高的是哪個？

實際應用動態(tài)溶氧法或者動態(tài)脫氧法最多，但是準確度比較低，或者代表性比較差。

最準確的還是在發(fā)酵過程中通過分析進氣和尾氣的成分及流量，通過物料衡算來獲取。

Q12  CFD模擬結果和實際情況誤差有多大？如何確保模擬的可靠性？

基本的問題，比如說網格無關性等問題，不需要做實際的實驗，但是需要做CFD實驗。

在應用層面，CFD模擬用到很多底層的模型和假設，比如說曳力模型。這些都是需要通過實驗進行驗證的。當然，有很多是別人已經驗證過的了，在相同或者相似的條件下可以拿來用。如果沒有，就得自己做實驗驗證了。具體誤差有多大是一言難盡的，更多時候是做CFD的人的水平和經驗決定的。

CFD只是一個工具，就好比，我會打字了不代表我就能稱為詩人或者作家。

Q13  在微型反應器中，如500mL，我們注意到電極也會占罐體內部相當一部分的空間，這個會不會影響流場（起到類似于擋板的作用），如何在工藝放大時降低這種影響？

肯定會有一定影響的。但是根據其形狀和安裝位置，一般不能和擋板相提并論。因為它主要就是會提高P/V, 如果真的很在意，可以在放大的時候加上這一部分。

但是話說回來，還有很多其他參數，比如說通氣的影響，泡沫的影響，是遠大于電極的影響的。

Q14  實際研發(fā)過程中，常用的經驗放大法能夠滿足大部分需求嗎？

滿足不了。放大以后產量降低或者腰斬是常有的事情，還要再重新進行工藝優(yōu)化。

Q15  目前行業(yè)內進行生物工藝的放大過程中，實際應用最廣泛的是什么方法？

目前最多的還是根據相等的P/V進行放大的。