生物反应器模拟放大模型的构建_胡逸文.pdf

基金项目:河南省高等学校重点科研项目(编号:A )作者简介:胡逸文,男,河南大学在读本科生.通信作者:孙杨(),男,河南大学副教授,博士.E m a i l:s u n y a n g s u o f e i q q c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()生物反应器模拟放大模型的构建C o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c ho f b i o r e a c t o r s i m u l a t i o ns c a l e u pm o d e l胡逸文HUY i w e n韩飞飞HANF e i f e i靳魁奇J I N K u i q i孙杨,S UNY a n g,(河南大学生命科学学院,河南 开封 ;成都英德生物医药装备技术有限公司,四川 成都 ;河南省应用微生物工程研究中心,河南 开封 )(S c h o o l o fL i f eS c i e n c e s,H e n a nU n i v e r s i t y,K a i f e n g,H e n a n ,C h i n a;B I O Y D P h a r m a c e u t i c a l S i n c e,C h e n g d u,S i c h u a n ,C h i n a;E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r f o rA p p l i e dM i c r o b i o l o g yo fH e n a nP r o v i n c e,K a i f e n g,H e n a n ,C h i n a)摘要:目的:构建完善的生物反应器放大模型,为反应器生产提供指导.方法:通过,L规模反应器的试验,对体积溶氧系数kLa、混合时间tm的关联式及参数进行了优化探究,建立了生物反应器模拟放大模型,通过MA T L A B搭建了S c a l e u p e r放大系统.结果:对比试验结果最终kLa的模拟偏差在 以内,通过在tm的关联式中引入临界转速的定义,对tm的整体模拟偏差较原公式减少了,在 内,通过嵌入B P神经网络减小kLa的模拟偏差,B P模型模拟kLa偏差对训练数据范围最小可达.结论:基于经验关联式的反应器放大模型,在试验测得相关参数后模拟结果较优;利用神经网络对反应器模拟、放大是可行的.关键词:混合时间;体积溶氧系数;生物反应器;神经网络;放大模型A b s t r a c t:O b j e c t i v e:B u i l d i n gap e r f e c tb i o r e a c t o rs c a l e u pm o d e lp r o v i d e sc o n v e n i e n c ef o re n t e r p r i s ep r o d u c t i o n,a n dag u i d a n c ef o r r e a c t o rm a n u f a c t u r e r s M e t h o d s:T h r o u g ht h e t e s to f,Ls c a l er e a c t o r,t h ec o r r e l a t i o na n dp a r a m e t e r so ft h ev o l u m ed i s s o l v e do x y g e nc o e f f i c i e n tkLaa n dm i x i n g t i m etmw e r eo p t i m i z e da n de x p l o r e d,t h es i m u l a t i o na m p l i f i c a t i o n m o d e lo fb i o r e a c t o r w a s e s t a b l i s h e d,a n d t h e S c a l e u p e r a m p l i f i c a t i o ns y s t e m w a sb u i l tb yMA T L A B R e s u l t s:C o m p a r e dw i t ht h et e s tr e s u l t s,t h es i m u l a t i o nd e v i a t i o no fkLaw a sw i t h i n B yi n t r o d u c i n gt h ed e f i n i t i o no fc r i t i c a ls p e e di n t ot h ec o r r e l a t i o no ftm,t h eo v e r a l l s i m u l a t i o nd e v i a t i o no ftmw a s r e d u c e db y c o m p a r e d w i t h t h e o r i g i n a lf o r m u l a W i t h i n ,t h es i m u l a t i o nd e v i a t i o no fkLaw a s r e d u c e db ye m b e d d i n gB Pn e u r a ln e t w o r k T h e m i n i m u m s i m u l a t i o nd e v i a t i o no fB P m o d e lc a nr e a c hf o r t h e t r a i n i n gd a t ar a n g e C o n c l u s i o n:T h es c a l e u pm o d e l o f t h er e a c t o rb a s e do nt h ee m p i r i c a l c o r r e l a t i o nh a sb e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa f t e r t h er e l e v a n tp a r a m e t e r sa r em e a s u r e d I ti sf e a s i b l et ou s en e u r a ln e t w o r kt os i m u l a t ea n da m p l i f yt h er e a c t o r,b u t i t s t i l l n e e d sm o r ed a t a t r a i n i n gs u p p o r t K e y w o r d s:m i x i n gt i m e;v o l u m e t r i cd i s s o l v e do x y g e nc o e f f i c i e n t;b i o r e a c t o r s c a l e u p;n e u r a l n e t w o r k;s c a l e u pm o d e l生物反应器在食品工业领域有着大量应用,除了被用于啤酒、酱油、调味料等产品的生产加工,还可对过程中产生的废水废料进行处理.随着生物技术的进步和合成生物学的发展,基于微生物、细胞培养的食品发酵、生物医药等行业蓬勃发展、产品的产业化对更大规模生物反应器的需求,以及生物过程工程研究新理念Q b D(Q u a l i t yb yD e s i g n)在生物发酵行业的应用对S c a l e d o w n/S c a l e u p模型的需求等,对生物反应器的放大设计与实践应用提出了更高的要求.生物反应器形式有多种,目前应用最广泛的是基于S T R搅拌混合方式的通气供氧型发酵系统.微生物、细胞培养对反应器种的传质、传氧的需求是反应器放大的指导思想.目前,常见的放大原则,有几何相似性放大、P/V放大、kLa放大等.不同的放大原则对放大后工艺的适用性和稳定性有不同的影响.生物反应器放大过程的难点在于其并非单纯的几何问题,通常伴随着物化性质的改变,涉及生物动力学等复杂过程,难以进行准确的动态模拟.目前主流的分析方法有经 验 关 联 式 预 测 及 计 算 流 体 力 学(C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s,C F D)分析.基于经验关联式目前已有许多针对氧传质系数、混合时间、搅拌轴功率等工艺参数的经验关联式被提出,迪必尔生物工程有限公司推出的T&JD y n a m i x放大平台已能满足完整的放大求算及溶氧分析,而其放大方法单一,且未能关联反应器放F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|大结果进行溶氧分析.然而,实际放大过程中需要考虑多角度放大,并针对反应器选型与工艺设计展开关联分析,如何使模拟放大在保证准确度的情况下,提供更为灵活的放大手段与合适的关联分析具有重要研究意义.研究在基于通用性反应器不同放大原则优化经验关联 公 式 的 基 础 上,利 用MA T L A B R a的A p pD e s i g n e r模块针对通用式反应器进行放大模型构建,并搭配神经网络进行结果校正试验,以期在保证预测准确度的条件下,为发酵生产过程中反应器放大阶段提供较为全面的参数分析及指导.材料与方法材料与试剂溶氧电极:I n P r o 型,梅特勒托利多科技(中国)有限公司;便携式电导率仪:L C D D B M/A型,上海力辰邦西仪器科技有限公司;L四联平行生物反应器:B i o c u b e r系列,成都英德生物医药设备有限公司;L生物反应器:B I O T E CH B G 型,上海保兴生物设备工程有限公司;L生物反应器:B I O T E CH J S型,上海保兴生物设备工程有限公司;L生物反应器:定制(产品编号R ),成都英德生物医药设备有限公司;高纯氮气:纯度 ,开封市万通气体有限公司;氢氧化钠:分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司.方法体积溶氧系数(kLa)测定采用氮气排出测量法.当反应器内未进行菌体培养时,可通过式()求得体积溶氧系数.kLatl ncctc()l nctc(),()式中:kLa 体积溶氧系数,s;t 通风时间,s;c 液相与 气 相 氧 分 压 相 平 衡 的 氧 质 量 浓 度,m g/L;ct 反应液主流中氧的质量浓度,m g/L.一般溶氧电极示数为ctc ,即以百分饱和度为单位的溶解氧(D i s s o l v e dO x y g e n,D O).I n P r o 为极谱型电极,测得其 电极 响应 时 间为 s左右(D O响应由).基于双膜理论对极谱型溶氧电极进行二次传质假设(除通气至料液的传氧外,考虑到料液至溶氧电极电解液的传氧),通过假设kLa试值得到二次传质的D Ot曲线,与实际测量曲线吻合即可去除响应时间的干扰,得到实际kLa.混合时间(tm)测定混合时间是指自向料液加入新的溶液开始,至两者近乎混合均匀所消耗的时间.采用电导率法测定.模型建立工业生产中,反应器的模拟放大通常存在个阶段,分别为实验室阶段、中试阶段及工业化规模阶段;生产中反应器的模拟放大必不可少,否则将导致实际生产工艺的低效或失败.研究在搅拌式反应器全挡板条件下建立模型,以小试或中试的试验数据为参考进行放大,提供kLa、tm、P等重要参数的模拟结果,并提供多种常用放大策略,公式采用经验关联式.选取表所示参数及其对应的经验关联式用于初始模型关联参数的计算.最终基于MA T L A B开发软件界面如图所示,小试/中试生物反应器参数输入表包含了一些反应器及器件的尺寸信息、料液性质等;模拟放大界面上方存在上、下两表(不可编辑),上表是利用软件模型针对小试/中试的基本数