生物化工
關注創建者：寒寒boy 創建時間：2017-12-22
生物化工的實例教程
小按：本期主要對中國生物化工在生物制藥方面的應用和進展做介紹。感興趣讀者可回看第一期，總體回顧，中國生物化工簡史（第1篇章）；第二期，生物能源，中國生物化工簡史（第2篇章之一）。
2.2 生物制藥
2.2.1 中國生物制藥的研究進程
得益于政府支持，中國的大學和研究機構在藥物的生物合成方面取得了矚目進展。很多研究已經轉化到公司進行合作研究和開發進行更多的評估。許多成績已經進行工業化或接近工業化。
自1990s起，中國逐漸發展成為生產類固醇藥物的全球中心，占到全球產量的三分之一。皮質類固醇藥物（corticosteroid drugs）的產能和實際產量，中國全球第一。2009年，出口743.25噸，價值37億美金。中國傳統的生產過程依賴化學降解薯蕷皂苷元（diosgenin）來獲得關鍵中間體。最近，該過程已經轉變為微生物發酵植物甾醇類生產中間體，像4-雄烯-3,17-二酮（4-androstene-3,17-dione，AD）, 1,4-雄甾二烯-3,17-二酮（1,4-androstadiene-3,17-dione，ADD）,和9-羥基雄烯二酮（9α-hydroxy-4-androstene-3,17-dione，9α-OH-AD）。
通過誘變篩選，分枝桿菌Mycobacterium突變菌可將植物甾醇（sitosterol, soybean sterol, andcampesterol）轉化為AD, ADD或9α-hydroxy-AD，得率提高到70%。
展開 生物反應工程：生物反應過程的產品包括，生物質，酶，初級和次級代謝產物，蛋白，這些可以廣泛用于制藥、食品，化學，農業或能源生產。反應器，胞外環境因素，包括反應器設計，操作條件和培養基形式，對細胞代謝都有重要影響。目前，生物反應器工程的目標是，探索反應器中細胞生理代謝機制，放大生物過程，滿足低成本生產。
中國生物反應器工程前沿
生物反應過程是一個活細胞的復雜的代謝過程。因此，反應器工程的核心是調控反應器中活細胞的生理狀態。調控也是優化和放大的關鍵。因此，鑒定反應器中細胞的生理和代謝參數，設計合適的生物反應器系統，是優化生物反應器工程的先決條件。
1. 中國科學家的突破
生物反應歷程中，反應器的控制條件會影響細胞微尺度代謝，也會影響宏觀尺度代謝。因此，為了提高反應器的性能，進行了微觀和宏觀尺度的代謝流分析。為了放大生物過程，細胞的生理代謝狀態必需要在實驗室規模反應器進行重現和優化。為了達到這個目的，必需進行大反應器的流體場特性的研究，來理解不同反應器設計和控制條件導致的差異。宏觀生理特性變化分析+流體場和細胞生理代謝特性，可以增強反應器放大過程。
下圖是研究者提出的一個生物反應器增效的技術路線。
上面的這些圖片都是基于生物反應器工程的多尺度理論。
2. 開發可以監測所有宏觀生理和代謝特征的參數的生物反應器
2003年，華東理工大學張嗣良教授和儲炬教授，設計了一款全參數監測反應器，含有一臺反應器，一臺電腦數據收集系統，設計圖如下所示。體積可以從幾十升到300噸。通常，實驗室研究使用的30L或50L的體積可以直接應用到300噸的工業發酵。
3. 海量數據過程軟件包的開發
生物反應器配備自動電腦數據采集系統，實現在線數據監測和采集過程參數。數據采集和電腦控制形成了一個完整的控制系統。
展開 論文鏈接：
https://pericles.periclesprod.literatumonline.com/doi/full/10.1002/adfm.202103591
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團隊介紹
張雷，天津大學化工學院教授、博士生導師、生物化工系主任。入選國家自然科學基金委“優秀青年科學基金”、教育部“新世紀優秀人才支撐計劃”、天津市“中青年科技創新領軍人才”、“侯德榜化工青年獎”、“天津首屆青年創新能手”等，榮獲2020年天津大學“我心目中的十佳導師”。擔任《中國化工學報（英文版）》編委。一直致力于將親水分子的獨特性質應用于生物化工多個領域，包括超低溫凍存、抗凍材料、抗生物粘附材料、抗菌材料等。
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所以在工業領域，仿真CAE工程師的職業發展潛力和空間也非常巨大，覆蓋軍工、電力、汽車、建筑、航空航天、機械、交通、生物醫療、石油化工、體育等行業。仿真工程師越老越吃香，無畏35+歲職場裁員危機。
如今無論是航空航天、汽車等CAE歷史久遠的行業，還是現在機械、電子產品等新興CAE行業，只要應用仿真的產業越來越多，其就業機會和發展空間也會越來越多。
關鍵詞：FLUENT，攪拌器，VOF模型，計算流體力學，氣液攪動
機械攪拌器廣泛應用于生物化工領域，但因攪拌引起的流型產生復雜的氣-液流體特性，使該流體特性定量測量很難有效進行，增加攪拌器的結構優化與放大設計的難度。使用數值模擬方法可以很好的解決以上問題。
利用FLUENT軟件對雙層三槳葉攪拌器的氣液攪動進行了數值模擬。
攪拌釜，也常稱為攪拌罐或反應釜，是工業生產中進行混合、反應、萃取等操作的重要的化工設備，被廣泛應用在石油化工、生物制藥、食品加工、化妝品制造、生物技術等行業。在本文主要對攪拌釜的分類、應用場景、工作原理和和CFD（計算流體力學）在攪拌釜中的應用做一些總結性的闡述，并講解一個VirtualFlow在攪拌釜仿真中的應用案例，供大家交流學習。
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應用：油氣化工，生物制藥，廢水處理，建筑，電池制備，家電等等
現狀：機械攪拌用于加快均相體系的混合、保持非均相體系的均勻分散或強化傳熱，對于不同的物料系統、不同的攪拌目的，需要工程師對不同類型的攪拌器做出選擇。影響攪拌釜攪拌功率的幾何因素包括：攪拌器直徑、槳葉的葉形（形狀、長度、寬度、數量）、攪拌釜直徑、物料的裝液高度、攪拌槳葉在釜內的安裝高度、擋板數量及寬度等。
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