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生物反應(yīng)器的放大原理是怎么樣的？
生物反應(yīng)器放大的目的是增加產(chǎn)量，同時(shí)保持相似的產(chǎn)品質(zhì)量。這意味著必須跨規(guī)模保持相當(dāng)?shù)募?xì)胞特異性生產(chǎn)力、細(xì)胞密度和活性以及細(xì)胞代謝。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，盡可能多的操作參數(shù)必須保持不變。
在工藝放大過(guò)程中，溫度、pH、溶氧設(shè)定點(diǎn)和補(bǔ)液策略等與規(guī)模無(wú)關(guān)的變量很容易保持不變（表4）。然而，與規(guī)模相關(guān)的參數(shù)，如攪拌、葉輪葉尖速度、混合時(shí)間、雷諾數(shù)和通氣流速，在整個(gè)放大過(guò)程中不能同時(shí)保持不變。這是因?yàn)樗鼈儗?duì)攪拌速度、葉輪直徑和容器直徑具有不同的依賴性。
這些參數(shù)會(huì)影響運(yùn)營(yíng)成本、培養(yǎng)異質(zhì)性、氣體轉(zhuǎn)移特性以及施加于細(xì)胞的剪切應(yīng)力。從本質(zhì)上講，生物反應(yīng)器的放大涉及多方面的權(quán)衡和妥協(xié)。
雖然攪拌罐生物反應(yīng)器的體積功率輸入通常保持在10-80W/m3的范圍內(nèi)，但其它因素，即混合速度、混合時(shí)間、葉輪葉尖速度和雷諾數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的不同而有不同的值。如表5所示，攪拌速度隨著規(guī)模的增加而降低。
然而，由于葉輪尺寸增加，葉輪葉尖速度和雷諾數(shù)遵循相反的趨勢(shì)。然后由于容器直徑的增加，混合時(shí)間也隨著規(guī)模的增加而增加。
幾何相似性
幾何相似性通常是用于放大生物反應(yīng)器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。如果罐直徑增加，所有其它長(zhǎng)度（罐高度、葉輪直徑和葉輪寬度）都會(huì)增加相同的比例因子。一般來(lái)說(shuō)，用于細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)器罐的高徑比(H/D)對(duì)于臺(tái)式生物反應(yīng)器為1-2，對(duì)于中試和工業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器為2-3。
然而，保持H/D會(huì)影響與表面和體積相關(guān)的因素，例如熱傳遞、氣體傳遞和混合。由于在罐壁上發(fā)生熱交換，每單位體積的熱傳遞隨著體積的增加而減少。恒定的H/D縱橫比也將顯著降低表面積與體積比(Ac/V)，從而降低表面通氣對(duì)O2和CO2汽提的貢獻(xiàn)。因?yàn)闅怏w傳輸速率的重要性以及對(duì)混合速度和氣體流速的限制，這對(duì)于剪切敏感細(xì)胞至關(guān)重要。
