生物發酵是指利用生物（通常為微生物或細胞），在適宜的條件下，將原料經過特定的代謝途徑轉化為人類所需產物的過程。這些有用的代謝產物、蛋白表達產物等產品，廣泛應用于醫藥工業、食品工業、能源工業、化學工業、農業等領域，與人們的日常生活密不可分。在生物發酵工程中，如何將實驗室研究的條件進行有效放大，從而直接應用于生產，一直是困擾生物發酵應用的問題。由于生物反應的影響因素較多，發酵罐內的反應是封閉反應，如何通過有效地控制參數，使放大過程不會對生物發酵過程產生影響，一直是生物發酵行業研究的重點。在生物發酵反應放大過程中，罐內的流動狀態隨著體積的增加而發生明顯變化。流場變化也會導致溫度、溶氧等一系列參數的變化，從而使整個反應體系發生改變。文章對生物發酵工藝放大的影響因素和相應控制參數進行簡單整理和介紹，為實際生物發酵放大過程中的參數選擇提供參考。
傳質過程是物質的傳遞過程，生物發酵過程中傳質活動是隨著生物反應同時進行的，主要的傳質過程分為氣液吸收和液體傳質兩種。物質在液相內傳遞主要是由于生物發酵罐攪拌槳帶動的渦流擴散。在常用的生物發酵培養中，傳質過程非常重要。良好的傳質可以保證微生物及細胞培養和發育必要的氧、營養物和代謝產物。體積溶氧系數是影響傳質最重要的因素，但是由于生物發酵罐內流場十分復雜，影響因素較多，體積溶氧系數分析較為困難。
另一個直接影響生物發酵罐工藝放大的關鍵參數就是混合的過程。常見的生物發酵反應混合包括液-液混合、固-液混合、氣-液混合及氣液-固三相混合。由于發酵罐的體積增加和發酵產物與原料的增加直接導致罐體內混合不均勻，比如發酵罐頂部物質的混合相對底部較為困難。科學地增加發酵罐內各物質的混合，可以提高生物發酵的效率。
傳統觀點認為，增加生物發酵罐的攪拌速率可以加強發酵過程的傳質和混合，但是隨著深入研究發現，很多生物發酵失敗是由于生物發酵目標物受到過大的剪切力而導致微生物和細胞破壞，比如在微生物發酵體系中，過高的剪切力會對菌體的生長造成傷害；過低的剪切力不利于氣泡破碎，影響空氣傳播的效率。如何科學地增加發酵罐內各物質的混合，同時將剪切應力控制在微生物和細胞可以接受的范圍，是發酵放大工藝的重要因素。
溫度也是生物發酵過程的重要因素。生物發酵罐的溫度控制主要是通過夾套層進行溫度控制。但是由于大型生物發酵罐隨著罐內體積的增大，單位受熱的表面積變小。因此，傳熱的效率會直接影響生物發酵目標物的生產效率。
生物發酵罐放大工藝中還有其他因素會影響發酵過程，比如生物發酵的補氣、補料速度和進樣口設置等參數都會對發酵過程產生影響。受工藝限制，生產型生物發酵罐無法像實驗室的生物發酵過程可以對各種基質、產物、代謝物濃度實時進行檢測，因此如何科學地設計補料和進氣的速度和量十分關鍵。同時，補料和補氣也需要綜合考慮表觀氣速，避免產生“液泛”現象。
常用的攪拌式生物發酵罐混合模式就是攪拌槳旋轉帶動整個發酵液的混合。發酵罐攪拌參數的控制主要是通過轉速控制進行。轉速控制除了要考慮提高轉速，提高混合效率，還必須將轉速控制在合理的范圍內，轉速過高會導致發熱量增加，增加細胞受到的剪切力，使發酵失敗。此外，經過研究發現，發酵體積體系流型、攪拌槳選型和直徑都會影響生物發酵的效率。在大型生物發酵過程中，除了轉速，攪拌槳種類和空間位置的選擇也十分重要，要根據培養物質的流體性質選擇合適的攪拌槳種類。目前通常使用的是軸流槳與徑流槳的組合槳，將微觀液流和宏觀流場結合，提高整個生物發酵體系物料混合的程度。混合槳一般采用底層徑流式上層軸流式，可以有效保證灌頂加入的營養物質在軸流漿的作用下迅速分布到罐底，而罐底通入的空氣也能夠及時分散，保證全罐整體循環流動，為整個微生物發酵提供合適的環境。
生物發酵罐根據培養菌種的不同，一般在26～37℃，特殊菌種的培養可能會在65℃。在發酵過程放大過程中，整個發酵罐體內的溫度場會發生很大變化。在小試及中試環節，由于罐體較小，溫度場較為均勻，然后在生產型發酵罐中，發酵罐的溫度探頭通常分布在罐體的下部，一般長度為100mm，在發酵液中的浸沫的部分50～60mm。生物發酵罐的加熱和制冷方式通常是通過夾套水層進行，因此發酵罐的傳熱效率會直接影響整個罐體內溫度的分布。夾套水層的溫度和發酵罐溫度探頭的溫度顯示值并不能真正反映發酵罐內液體的溫度。科學地進行溫度探頭布置，同時根據發酵體系的傳熱系數科學地設置發酵溫度可以有效保證反應溫度。
生物發酵中對化學參數的控制，如p H值、溶氧等均會對發酵結果產生影響。以溶氧參數為例，在好氧生物過程中，氧氣是微生物生長的重要營養物質，然而由于氧氣的底溶解度使其成為生化過程的關鍵底物，因此，保持氧氣從氣相到液相的充足供應是關鍵。理論上講，提高通氣量并增加培養液柱，可以有效延長氣泡在培養液中的時間，提升氣液交換效率。但是這些參數也受到發酵罐成本的限制，同時，氣泡分散程度和大小也會影響氧氣傳播的效率。因此，需要綜合考慮各項因素，給出最適合的工藝設計放大方法。
傳統生物發酵工藝放大過程大多是基于傳統的經驗方法。在生物發酵過程中，攪拌槳的速度、布置、空氣通氣量、補料流量及其他化學參數等一系列參數會影響發酵產量。使用者會根據以前或者其他發酵工藝設置選擇相似的工藝過程，選擇相應的發酵工藝放大參數；或是根據傳統經驗對發酵罐中的流體力學進行預測，將罐內的各項參數幾何放大，保持相對位置不變的方法擴大發酵體積。基于經驗的放大方法主要是關注發酵體系內的關鍵參數，如容積傳質系數、單位體積功率消耗、混合時間等。該方法通常只能用于簡單的放大，無法對發酵罐中的流體力學和運動學特征進行有效預測。
計算流體力學（CFD）是指根據流體力學質量傳遞、動量傳遞、能量傳遞等微觀方程，在計算機中模擬計算流體的運動規律。與基于經驗的生物發酵工藝方案相比，采用CFD模擬技術有耗資少、與尺寸無關等特點，被廣泛應用于流體工程領域。CFD模擬主要是通過模擬生物發酵罐內的流場、攪拌功率及氣含率，同時在生物發酵罐氣液兩相流模型中耦合溶氧傳質模型，可以模擬同期發酵過程中的溶氧傳質過程和生化反應過程。
隨著模擬計算技術的發展，CFD越來越多地應用在生物發酵放大過程的模擬中，但是由于氣液兩相流十分復雜，在預測過程中對氣含率、氣泡等參數的研究仍需進一步深入。
生物發酵的過程是一個復雜的多因素影響的過程。雖然傳統的攪拌式生物反應器在結構上相對比較簡單，但是在實際反應過程中發酵罐內流體的實際過程十分復雜。尤其是在生物發酵的放大過程中，需要綜合考慮多種因素進行方法學放大。傳統的基于經驗的放大工藝只能進行簡單的放大，無法真實模擬發酵罐中各項體系的真實數據。除了保證發酵物的生長環境與實驗室一致，還需要注意節約能耗。基于計算流體力學等，更科學的分析模擬方法可以更準確地預測生物發酵放大工藝的預測和模擬，為生物發酵放大的工藝選擇提供有效的依據和參考。
