您身边的平行生物反应器专家
国内率先将微小型平行生物反应器成功研发并商业化的制造商

服务热线    18017396936

直播回顾丨“反应器中的流体与传质问题及对工艺放大的影响”问答合集
来源:https://mp.weixin.qq.com/s/ggClVXjTtO6VaZkTqRWaKg | 作者:T&J | 发布时间: 2023-07-21 | 279 次浏览 | 分享到:
本次直播中,李雪良博士以“反应器中的流体与传质问题及对工艺放大的影响”为主题,从传质与流体力学的基本原理展开,解释生物反应器关键设计参数与操作参数对其性能的影响。为观众提供工艺优化和放大指导。



直播过程中收到很多观众提问,小编在下文中将问答进行整理,供各位观众回顾和参考。



错过直播的朋友,可以扫描文末二维码,关注“迪必尔生物”视频号观看回放。

导语


本次直播中,李雪良博士以“反应器中的流体与传质问题及对工艺放大的影响”为主题,从传质与流体力学的基本原理展开,解释生物反应器关键设计参数与操作参数对其性能的影响。为观众提供工艺优化和放大指导。


直播过程中收到很多观众提问,小编在下文中将问答进行整理,供各位观众回顾和参考。


错过直播的朋友,可以扫描文末二维码,关注“迪必尔生物”视频号观看回放。



Q1

在化学反应里碰到过气膜阻力比液膜阻力还大,生物里都是气膜阻力忽略吗?

常规好氧发酵或者细胞培养,用空气供氧的时候,气膜阻力是远远小于液膜阻力的。如果用纯氧,溶解在液体里的其他气体分子会反扩散进纯氧气泡内,此时液膜阻力会比较显著。


化学反应也不总是气膜阻力大。只有当液相里的反应速率非常快,可以把液膜里的气体分子瞬间消耗掉的时候,主要阻力才会是在气膜里。


还有就是一些分子量较大的气体,扩散系数比较慢,也会出现气膜阻力更显著的情况。


Q2

气速是单位时间进气量吗?

“气速”是一个通俗的说法,不严谨。


表观气速是气体体积流量,除以容器横截面。表观气速除以气含率,是气体相对静止坐标系的平均速度。


我们一般说气速,或者气量,指的是气体的体积流量。


Q3

怎么去考虑气速的极限值呢?

限制一个反应器能通入的最高气速的因素主要有以下几个。


(1) 搅拌桨类型和搅拌转速

(2) 体系发泡性能和消泡剂策略


综合考虑可以看气含率这个参数。搅拌釜反应器的气含率一般不要超过15%,极限情况下不要超过20%。气含率再升高,搅拌桨就使不上劲儿了,一拳打在棉花上,混合,传热都会出问题,甚至可能导致搅拌系统的机械故障。对不需要搅拌的鼓泡塔反应器,气升式反应器来说,气含率可以稳定在30%。


Q4

细胞的固定化发酵过程中如何有效的增加传质?

固定化发酵除了气液传质问题外,还有液固传质的问题。根据固定化的方法不同,有不同的策略。但是整体来说,都是以增加能耗为代价的。


Q5

可以通过CFD以混合时间、KLa、气含率、能量耗散率等参数为标准,将搅拌反应器过程放大或缩小到摆动Wave反应器模型吗?

这个是可以的。对于细胞或者微生物来说,它其实不知道自己是在什么类型的反应器里的。它能感受到的只有它周围100微米内的“微环境”。只要保证微环境一样,细胞或者微生物就没意见。


但是要注意,不同类型的反应器,可能无法同时做到所有微环境参数都一样。需要根据参数的重要性进行取舍。其实哪怕是同一类型的反应器,也存在同样的问题。


Q6

利用CFD模拟拉格朗日粒子模拟单个细胞并结合代谢模型,为什么这两年做的人少了,您觉得未来的方向在哪里?

前些年华理发表过几篇这方面的文章。也有跟国际上合作的。我觉得这个还是有人在做的,包括我自己也做一些。但是发文章可能不太容易了,尤其是都是使用商业软件,没有什么创新性可言,都是常规操作。


Q7

做生物反应器,是放大难,还是缩小更难? 

从生物工艺和反应器设计本身来说,放大和缩小是一回事。是一条路的两头,从这头往那头看,是放大。从那头往这头看,是缩小。但是路还是同一条路。


如果从其他层面考虑,比如说反应器本身的加工制造,微型传感器,取样操作等等,那显然缩小是更困难的。但是今天我们讲的放大、缩小,是指工艺和操作参数的的放大与缩小。


Q8

可以利用CFD从3L反应器直接放大到100L的规模吗,这样情况下是不是会出现模型不准确的情况?

从3L放大到100L是没有问题的。


模型准确不准确取决于用3L反应器做了哪些数据。我们需要在3L罐上模拟出来100L罐可能出现的情况,并把这些信息整合进CFD模型里去。仅仅靠CFD模拟,它能告诉我们流场特性,但是无法知道把细胞或者微生物放进这种流场里,会有什么结果。


Q9

新型搅拌桨的开发对于反应器优良传质的影响。

针对特殊应用,可以对搅拌系统进行优化。但是,既然是优化的,就不是通用的,这是鱼与熊掌的问题。量身定做的衣服肯定最合适,但是穿在别人身上就不行了。


Q10

请问下CHOS细胞在反应器中活率随着时间的推移降低比较快。同样的细胞在摇瓶中,活率降低比较慢,这是什么原因?

具体的原因有很多,底物混合不均匀,细胞就饥一顿饱一顿。温度控制不均匀,细胞就忽冷忽热。溶氧不均匀,剪切应力分布不均匀。


简单说就是,反应器大了,就无法保证所有位置条件都是最优的。


Q11

目前传质系数的测量方法,实际应用最广泛的是哪个?测量准确度更高的是哪个?

实际应用动态溶氧法或者动态脱氧法最多,但是准确度比较低,或者代表性比较差。


最准确的还是在发酵过程中通过分析进气和尾气的成分及流量,通过物料衡算来获取。


Q12

CFD模拟结果和实际情况误差有多大?如何确保模拟的可靠性?

基本的问题,比如说网格无关性等问题,不需要做实际的实验,但是需要做CFD实验。


在应用层面,CFD模拟用到很多底层的模型和假设,比如说曳力模型。这些都是需要通过实验进行验证的。当然,有很多是别人已经验证过的了,在相同或者相似的条件下可以拿来用。如果没有,就得自己做实验验证了。具体误差有多大是一言难尽的,更多时候是做CFD的人的水平和经验决定的。


CFD只是一个工具,就好比,我会打字了不代表我就能称为诗人或者作家。


Q13

在微型反应器中,如500mL,我们注意到电极也会占罐体内部相当一部分的空间,这个会不会影响流场(起到类似于挡板的作用),如何在工艺放大时降低这种影响?

肯定会有一定影响的。但是根据其形状和安装位置,一般不能和挡板相提并论。因为它主要就是会提高P/V, 如果真的很在意,可以在放大的时候加上这一部分。


但是话说回来,还有很多其他参数,比如说通气的影响,泡沫的影响,是远大于电极的影响的。


Q14

实际研发过程中,常用的经验放大法能够满足大部分需求吗?

满足不了。放大以后产量降低或者腰斩是常有的事情,还要再重新进行工艺优化。


Q15

目前行业内进行生物工艺的放大过程中,实际应用最广泛的是什么方法?

目前最多的还是根据相等的P/V进行放大的。