不止是體積放大：論工業(yè)發(fā)酵罐成功放大的關(guān)鍵
發(fā)酵罐放大是通過精準(zhǔn)的工程設(shè)計與參數(shù)調(diào)控，在更大的規(guī)模上重現(xiàn)并維持對小試或中試成功至關(guān)重要的生物反應(yīng)環(huán)境與工藝條件，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的工業(yè)化生產(chǎn)。
① 以發(fā)酵罐為核心的發(fā)酵裝置放大，主要涉及發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括：發(fā)酵罐外形幾何設(shè)計及內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)設(shè)計；發(fā)酵罐系統(tǒng)相關(guān)功能組件及連接部位的安裝設(shè)計。
② 發(fā)酵罐放大的操作參數(shù)設(shè)計，主要包括：攪拌轉(zhuǎn)數(shù)及攪拌功率；通氣流量或空氣直線速率等發(fā)酵罐放大后的操作參數(shù)設(shè)計。
本文主要了解發(fā)酵罐放大設(shè)計目標(biāo)及主要依據(jù)，明確放大目標(biāo)與依據(jù)是實現(xiàn)實驗室或中試成果向工業(yè)化生產(chǎn)成功轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，它連接了工藝研究與工程實踐，確保放大過程既符合科學(xué)規(guī)律，又具備經(jīng)濟(jì)可行性。
1.發(fā)酵罐放大設(shè)計目標(biāo)
通常需要在中試優(yōu)化的發(fā)酵工藝指導(dǎo)下進(jìn)行發(fā)酵罐系統(tǒng)的放大設(shè)計。發(fā)酵罐放大設(shè)計的主要目標(biāo)是使放大設(shè)計后的發(fā)酵生產(chǎn)罐具有與中試規(guī)模的發(fā)酵罐相似的發(fā)酵效果甚至更好的發(fā)酵效果，確保小試和中試的成果能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在發(fā)酵罐放大設(shè)計過程中，一般會重點關(guān)注以下方面。
① 使放大設(shè)計后的發(fā)酵生產(chǎn)罐能達(dá)到最佳傳遞效果，保障放大后的發(fā)酵生產(chǎn)罐具有良好的混合、傳質(zhì)和傳熱效果。
② 使放大設(shè)計后的發(fā)酵生產(chǎn)罐能達(dá)到最佳性價比，即效果好且制造成本相對較低。
當(dāng)然，要設(shè)計好的發(fā)酵生產(chǎn)罐，還需要結(jié)合具體的發(fā)酵生產(chǎn)過程所提供的詳細(xì)設(shè)計依據(jù)，才能做到精確設(shè)計。
2.發(fā)酵罐放大設(shè)計的主要依據(jù)
發(fā)酵罐放大設(shè)計不僅僅是一個發(fā)酵體積和幾何尺寸的放大，要真正實現(xiàn)放大后的設(shè)計目標(biāo)，使發(fā)酵過程放大后仍然能達(dá)到甚至超過小試和中試的發(fā)酵水平，還必須充分了解中試發(fā)酵過程的具體工藝情況，以此作為發(fā)酵罐放大設(shè)計的主要依據(jù)。
（1）發(fā)酵類型及菌種特性
涉及發(fā)酵罐放大設(shè)計主要需要了解以下幾個方面的情況：
① 屬于基因工程菌發(fā)酵還是普通菌種發(fā)酵？
② 是固體發(fā)酵還是液體發(fā)酵？
③ 屬于好氧、兼性好氧還是厭氧發(fā)酵？
④ 若為好氧發(fā)酵，其好氧程度如何？
⑤ 發(fā)酵菌種的抗雜菌能力如何？
了解發(fā)酵類型及菌種特性的作用是確定發(fā)酵罐的核心設(shè)計（如通氣、攪拌系統(tǒng)）和關(guān)鍵操作參數(shù)（如供氧需求），從而為設(shè)備選型與工藝控制提供根本依據(jù)。同時，它能預(yù)先評估放大過程中可能出現(xiàn)的染菌、代謝異常等風(fēng)險，指導(dǎo)采取針對性防控措施，保障工藝穩(wěn)定性。
（2）發(fā)酵培養(yǎng)基的特點
發(fā)酵培養(yǎng)基影響發(fā)酵罐放大設(shè)計的因素主要有以下幾個方面：
① 發(fā)酵培養(yǎng)基的配制是否需要進(jìn)行預(yù)處理？
② 發(fā)酵培養(yǎng)基中有無耐熱滅菌的基質(zhì)？
③ 發(fā)酵液中的離子濃度及其腐蝕性如何？
④ 發(fā)酵過程是否還需要通過流加補(bǔ)料或以此控制pH？
⑤ 發(fā)酵液是否需要考慮多次重復(fù)使用？
了解發(fā)酵培養(yǎng)基特點的作用是為發(fā)酵罐的材料選擇、滅菌系統(tǒng)設(shè)計以及配套工藝（如補(bǔ)料、循環(huán)）提供直接依據(jù)，確保生產(chǎn)過程的安全、高效與穩(wěn)定。例如，根據(jù)其腐蝕性、耐熱性和流加需求，來決定罐體材質(zhì)、滅菌方式及管路控制系統(tǒng)，從而避免產(chǎn)物降解、設(shè)備腐蝕或染菌風(fēng)險。
（3）發(fā)酵產(chǎn)物的特性
充分了解發(fā)酵產(chǎn)物的特性也是發(fā)酵罐放大設(shè)計的重要方面：
① 發(fā)酵產(chǎn)物屬于胞內(nèi)或胞外產(chǎn)物還是胞內(nèi)外都存在？
② 若為胞外產(chǎn)物，其溶解性如何，是否易于形成結(jié)晶或產(chǎn)生泡沫？
③ 發(fā)酵產(chǎn)物化學(xué)性質(zhì)是否穩(wěn)定？
④ 發(fā)酵產(chǎn)物的酸堿性如何？
⑤ 發(fā)酵產(chǎn)物是否存在嚴(yán)重的反饋抑制？
了解發(fā)酵產(chǎn)物的特性可以指導(dǎo)發(fā)酵罐的工程設(shè)計與生產(chǎn)過程控制，以確保產(chǎn)物的穩(wěn)定性和高效產(chǎn)出。具體來說，它直接決定罐內(nèi)是否需要配置特殊抗腐蝕材料、特定的消泡或防結(jié)晶裝置，以及如何精確控制溫度、pH等參數(shù)來防止產(chǎn)物降解或抑制發(fā)酵。
（4）發(fā)酵動力學(xué)特征
發(fā)酵動力學(xué)特征也是發(fā)酵罐放大設(shè)計需要考慮的方面：
① 發(fā)酵過程中菌體生長與產(chǎn)物合成的動態(tài)關(guān)系如何？
② 發(fā)酵過程是否需要分段控制發(fā)酵參數(shù)？
了解發(fā)酵動力學(xué)特征可以為發(fā)酵罐的放大設(shè)計提供動態(tài)、量化的工藝控制依據(jù)，從而指導(dǎo)建立與規(guī)模相匹配的操作策略。
具體而言，它能明確發(fā)酵過程中菌體生長、底物消耗和產(chǎn)物合成的動態(tài)關(guān)系與速率，直接決定放大后發(fā)酵罐的補(bǔ)料方案、關(guān)鍵參數(shù)（如溶氧、pH）的控制邏輯，以及是否需要設(shè)計分階段（如生長期與生產(chǎn)期）的差異化工況，以確保放大過程能精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)或優(yōu)化中試的代謝軌跡與生產(chǎn)效率。
（5）影響發(fā)酵產(chǎn)量、效率和轉(zhuǎn)化的主要因素
通常，發(fā)酵罐放大設(shè)計尤其要重點關(guān)注那些影響發(fā)酵產(chǎn)量、效率和轉(zhuǎn)化的主要因素，這些因素主要包括一些發(fā)酵過程參數(shù)作為發(fā)酵罐操作參數(shù)，對于那些影響較大的參數(shù)，要求在發(fā)酵罐放大設(shè)計過程中保持不變或以物理參數(shù)和主要放大過程，一般也稱之為放大準(zhǔn)則，這也反映了具體發(fā)酵過程放大所應(yīng)遵從的放大規(guī)律。例如，放大的發(fā)酵過程與中試保持相同或相似的溶解氧含量變化規(guī)律等。
（6）發(fā)酵生產(chǎn)直接成本的組成情況
發(fā)酵生產(chǎn)直接成本的組成主要包括原料成本、蒸汽及供電等能耗成本、發(fā)酵產(chǎn)物分離成本及后處理成本。因此，發(fā)酵罐放大設(shè)計將會根據(jù)影響發(fā)酵生產(chǎn)成本的主要因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，盡可能做到節(jié)能減排。
綜上所述，深入理解工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)放大的目標(biāo)與依據(jù)，是構(gòu)建高效、穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)可行的規(guī)模化生產(chǎn)系統(tǒng)的根本前提。通過明確放大目標(biāo)（如保障最佳傳遞效果與性價比），并全面依據(jù)發(fā)酵工藝的具體特性（包括菌種行為、培養(yǎng)基特點、產(chǎn)物性質(zhì)、動力學(xué)特征及成本構(gòu)成），能夠科學(xué)指導(dǎo)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計與操作參數(shù)優(yōu)化，確保放大過程精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)中試的工藝核心。這不僅直接決定了生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)可靠性與運(yùn)行效率，還實現(xiàn)了對資源消耗和工程風(fēng)險的有效控制，從而為生物技術(shù)成果從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化提供了關(guān)鍵支撐，推動整個生產(chǎn)系統(tǒng)在科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性上的協(xié)同提升。
