生物反應(yīng)器和比擬放大

1、2022-2-312022-2-32l概述概述l生化反應(yīng)器的特點(diǎn)生化反應(yīng)器的特點(diǎn)l生化反應(yīng)器的種類及選擇與操作生化反應(yīng)器的種類及選擇與操作l反應(yīng)器比擬放大反應(yīng)器比擬放大微生物反應(yīng)器：是生產(chǎn)中最基本也是最主要的設(shè)備，微生物反應(yīng)器：是生產(chǎn)中最基本也是最主要的設(shè)備，其作用就是按照發(fā)酵過程的工藝要求，保證和控制各其作用就是按照發(fā)酵過程的工藝要求，保證和控制各種生化反應(yīng)條件，如溫度、壓力、供氧量、密封防漏種生化反應(yīng)條件，如溫度、壓力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促進(jìn)微生物的新陳代謝，使之能在低消防止染菌等，促進(jìn)微生物的新陳代謝，使之能在低消耗下獲得較高的產(chǎn)量。耗下獲得較高的產(chǎn)量。厭氧生物反應(yīng)器：厭氧生物

2、反應(yīng)器：其反應(yīng)器不需供氧，設(shè)備結(jié)構(gòu)一其反應(yīng)器不需供氧，設(shè)備結(jié)構(gòu)一般較為簡單。應(yīng)用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生產(chǎn)。般較為簡單。應(yīng)用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生產(chǎn)。好氧生物反應(yīng)器：好氧生物反應(yīng)器：生產(chǎn)過程中需不斷通入無菌空氣，生產(chǎn)過程中需不斷通入無菌空氣，因而其設(shè)備的結(jié)構(gòu)比厭氧生物反應(yīng)器復(fù)雜。應(yīng)用于氨因而其設(shè)備的結(jié)構(gòu)比厭氧生物反應(yīng)器復(fù)雜。應(yīng)用于氨基酸、有機(jī)酸、酶制劑、抗生素和單細(xì)胞蛋白基酸、有機(jī)酸、酶制劑、抗生素和單細(xì)胞蛋白SCP等等的生產(chǎn)。的生產(chǎn)。根據(jù)反應(yīng)器通風(fēng)和攪拌的方式不同可分為三類：機(jī)械根據(jù)反應(yīng)器通風(fēng)和攪拌的方式不同可分為三類：機(jī)械攪拌通風(fēng)式、自吸式和通風(fēng)攪拌式。攪拌通風(fēng)式、自吸式和通風(fēng)攪

3、拌式。二二. .生化反應(yīng)器的特點(diǎn)生化反應(yīng)器的特點(diǎn)生化反應(yīng)器的特點(diǎn)生化反應(yīng)器的特點(diǎn)生化反應(yīng)與一般化學(xué)反應(yīng)的不同主要在于其反生化反應(yīng)與一般化學(xué)反應(yīng)的不同主要在于其反應(yīng)皆由生物催化劑應(yīng)皆由生物催化劑- -酶來催化的。決定了酶反應(yīng)酶來催化的。決定了酶反應(yīng)必須在比較溫和的條件下進(jìn)行，也就是在接近中必須在比較溫和的條件下進(jìn)行，也就是在接近中性的性的pHpH、較低的溫度及近似細(xì)胞生理?xiàng)l件下進(jìn)行。、較低的溫度及近似細(xì)胞生理?xiàng)l件下進(jìn)行。生物的酶系是非常復(fù)雜的，在活細(xì)胞中它們是生物的酶系是非常復(fù)雜的，在活細(xì)胞中它們是相互協(xié)調(diào)而處于最優(yōu)化的狀態(tài)，故活細(xì)胞常被用相互協(xié)調(diào)而處于最優(yōu)化的狀態(tài)，故活細(xì)胞常被用來合成一些代謝

4、產(chǎn)物如多糖及蛋白質(zhì)等。由于反來合成一些代謝產(chǎn)物如多糖及蛋白質(zhì)等。由于反應(yīng)的環(huán)境會隨著時間的進(jìn)程而改變，就產(chǎn)生了一應(yīng)的環(huán)境會隨著時間的進(jìn)程而改變，就產(chǎn)生了一個如何控制反應(yīng)過程使其最優(yōu)化的問題。個如何控制反應(yīng)過程使其最優(yōu)化的問題。對生長細(xì)胞來說，要考慮到如何維持發(fā)酵的最對生長細(xì)胞來說，要考慮到如何維持發(fā)酵的最佳條件，主要包括細(xì)胞營養(yǎng)、代謝的調(diào)控以及佳條件，主要包括細(xì)胞營養(yǎng)、代謝的調(diào)控以及反應(yīng)產(chǎn)物的干擾。反應(yīng)產(chǎn)物的干擾。由于酶作用對底物的高度特異性，它可以定向由于酶作用對底物的高度特異性，它可以定向的產(chǎn)生一些用一般化學(xué)方法難以甚至無法得到的產(chǎn)生一些用一般化學(xué)方法難以甚至無法得到的產(chǎn)品的產(chǎn)品大多數(shù)生化

5、反應(yīng)都在水相中進(jìn)行，相對來說產(chǎn)大多數(shù)生化反應(yīng)都在水相中進(jìn)行，相對來說產(chǎn)物濃度較低，這就產(chǎn)生了一個產(chǎn)物回收工藝及物濃度較低，這就產(chǎn)生了一個產(chǎn)物回收工藝及成本的問題。成本的問題。三三. 生化反應(yīng)器的種類及選擇與操作生化反應(yīng)器的種類及選擇與操作按生化反應(yīng)是在一個相或是在多個相內(nèi)進(jìn)行，可按生化反應(yīng)是在一個相或是在多個相內(nèi)進(jìn)行，可分為均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器。發(fā)酵工業(yè)中的分為均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器。發(fā)酵工業(yè)中的絕大多數(shù)都屬于非均相反應(yīng)器。絕大多數(shù)都屬于非均相反應(yīng)器。（一）機(jī)械攪拌式生化反應(yīng)器（一）機(jī)械攪拌式生化反應(yīng)器它是借攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質(zhì)所需要的它是借攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質(zhì)所需要的功

6、率。這種反應(yīng)器的適應(yīng)性最強(qiáng)，從牛頓型流體功率。這種反應(yīng)器的適應(yīng)性最強(qiáng)，從牛頓型流體直到非牛頓型的絲狀菌發(fā)酵液，都能根據(jù)實(shí)際情直到非牛頓型的絲狀菌發(fā)酵液，都能根據(jù)實(shí)際情況和需要，為之提供較高的傳質(zhì)速率和必要的混況和需要，為之提供較高的傳質(zhì)速率和必要的混合速度。缺點(diǎn)是機(jī)械攪拌器的驅(qū)動功率較高，一合速度。缺點(diǎn)是機(jī)械攪拌器的驅(qū)動功率較高，一般般24kw/m3，這對大型的反應(yīng)器來說是個巨大，這對大型的反應(yīng)器來說是個巨大負(fù)擔(dān)。負(fù)擔(dān)。2022-2-382022-2-39機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的基本條件機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的基本條件發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比。一般高徑比為發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比。一般高徑比為2.54。發(fā)酵罐

7、能承受一定的壓力。由于發(fā)酵罐在消毒發(fā)酵罐能承受一定的壓力。由于發(fā)酵罐在消毒和正常工作時，罐內(nèi)有一定的壓力和溫度，因和正常工作時，罐內(nèi)有一定的壓力和溫度，因此罐體各部件要有一定的強(qiáng)度，能承受一定的此罐體各部件要有一定的強(qiáng)度，能承受一定的壓力。壓力。發(fā)酵罐的通風(fēng)攪拌裝置要能使氣泡分散細(xì)碎，發(fā)酵罐的通風(fēng)攪拌裝置要能使氣泡分散細(xì)碎，氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧，提氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧，提高氧的利用率。高氧的利用率。發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。發(fā)酵灌內(nèi)應(yīng)拋光，盡量減少死角，避免藏垢積發(fā)酵灌內(nèi)應(yīng)拋光，盡量減少死角，避免藏垢積污，使滅菌徹底，避免染菌。污，

8、使滅菌徹底，避免染菌。攪拌器的軸封嚴(yán)密，盡量減少泄漏。攪拌器的軸封嚴(yán)密，盡量減少泄漏。機(jī)械攪拌罐結(jié)構(gòu)機(jī)械攪拌罐結(jié)構(gòu)設(shè)備主要部件包括罐身、攪拌器、軸封、消泡器設(shè)備主要部件包括罐身、攪拌器、軸封、消泡器中間軸承，空氣噴射器、擋板、冷卻裝置、人孔中間軸承，空氣噴射器、擋板、冷卻裝置、人孔罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接成，材罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接成，材料為碳鋼或不銹鋼。為滿足工藝要求，罐需承受料為碳鋼或不銹鋼。為滿足工藝要求，罐需承受一定壓力，通常滅菌壓力一定壓力，通常滅菌壓力0.25MPa(絕對大氣壓絕對大氣壓)攪拌器和擋板攪拌器和擋板渦輪式攪拌器的葉片有平葉式、彎葉式、箭葉式渦輪式

9、攪拌器的葉片有平葉式、彎葉式、箭葉式三種，其主要是打碎氣泡，加速和提高溶氧。平三種，其主要是打碎氣泡，加速和提高溶氧。平葉式功率消耗較大，彎葉式較小，箭葉式又次之。葉式功率消耗較大，彎葉式較小，箭葉式又次之。擋板的作用是防止液面中央產(chǎn)生旋渦，促使液體擋板的作用是防止液面中央產(chǎn)生旋渦，促使液體激烈翻動，提高溶氧。擋板寬度約為（激烈翻動，提高溶氧。擋板寬度約為（0.10.12）D。裝設(shè)。裝設(shè)64塊擋板，可滿足全擋板條件。塊擋板，可滿足全擋板條件。2022-2-312全擋板條件全擋板條件是指在一定轉(zhuǎn)速下，再增加罐內(nèi)附件，軸功率仍是指在一定轉(zhuǎn)速下，再增加罐內(nèi)附件，軸功率仍保持不變。要達(dá)到全擋板條件必須

10、滿足下式要求：保持不變。要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求：(W/D)Z=0.5D-罐的直徑罐的直徑Z-擋板數(shù)擋板數(shù)W-擋板寬度擋板寬度2022-2-313軸封軸封軸封的作用是防止泄漏和染菌。常用的軸軸封的作用是防止泄漏和染菌。常用的軸封有填料函和端面軸封。封有填料函和端面軸封。填料函由填料箱體、底襯套、壓蓋和壓緊填料函由填料箱體、底襯套、壓蓋和壓緊螺栓等零件組成。螺栓等零件組成。端面軸封的作用是靠彈性元件的壓力使垂直于軸端面軸封的作用是靠彈性元件的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對運(yùn)動而達(dá)到密封。相對運(yùn)動而達(dá)到密封。2022-

11、2-3142022-2-316 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、冷卻器、節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、冷卻器、油水分離器、空氣貯罐等設(shè)備，減少了廠房占油水分離器、空氣貯罐等設(shè)備，減少了廠房占地面積，節(jié)省投資；通氣質(zhì)量是最好的，通入地面積，節(jié)省投資；通氣質(zhì)量是最好的，通入發(fā)酵液中的發(fā)酵液中的2315m2315m2 2氣液接觸面積氣液接觸面積/m/m3 3空氣；動力空氣；動力消耗低；設(shè)備便于自動化、連續(xù)化、降低了勞消耗低；設(shè)備便于自動化、連續(xù)化、降低了勞動強(qiáng)度，減少勞動力。動強(qiáng)度，減少勞動力。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 空氣靠負(fù)壓吸入到罐內(nèi)，所以要求使用低阻力、空氣靠負(fù)壓吸入到罐內(nèi)，所以要求使用低

12、阻力、高除菌效率的空氣凈化系統(tǒng)；由于結(jié)構(gòu)上的特高除菌效率的空氣凈化系統(tǒng)；由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，大型自吸式充氣發(fā)酵罐的攪拌充氣葉輪的點(diǎn)，大型自吸式充氣發(fā)酵罐的攪拌充氣葉輪的線速度在線速度在30m/s30m/s左右，在葉輪周圍形成強(qiáng)烈的左右，在葉輪周圍形成強(qiáng)烈的剪切區(qū)域。充氣攪拌葉輪的充氣量隨發(fā)酵液的剪切區(qū)域。充氣攪拌葉輪的充氣量隨發(fā)酵液的深度增大而減少，因此比擬放大有一最適范圍。深度增大而減少，因此比擬放大有一最適范圍。罐壓較低，對某些產(chǎn)品生產(chǎn)容易造成染菌。罐壓較低，對某些產(chǎn)品生產(chǎn)容易造成染菌。（三）氣升式生化反應(yīng)器（三）氣升式生化反應(yīng)器工作機(jī)理：工作機(jī)理：是在罐外裝設(shè)上升管，上升管兩端與罐底及罐上

13、是在罐外裝設(shè)上升管，上升管兩端與罐底及罐上部相連接，構(gòu)成一個循環(huán)系統(tǒng)。在上升管的下部部相連接，構(gòu)成一個循環(huán)系統(tǒng)。在上升管的下部裝設(shè)空氣噴嘴，空氣噴嘴以裝設(shè)空氣噴嘴，空氣噴嘴以250300（m/s）的）的高速度噴入上升管借噴嘴的作用而使空氣泡分割高速度噴入上升管借噴嘴的作用而使空氣泡分割細(xì)碎，與上升管的發(fā)酵液密切接觸。由于上升管細(xì)碎，與上升管的發(fā)酵液密切接觸。由于上升管內(nèi)的發(fā)酵液輕。加上壓縮空氣的噴流動能，因此內(nèi)的發(fā)酵液輕。加上壓縮空氣的噴流動能，因此使上升管的液體上升，罐內(nèi)的液體下降而進(jìn)入上使上升管的液體上升，罐內(nèi)的液體下降而進(jìn)入上升管，形成反復(fù)的循環(huán)，供給發(fā)酵液所耗的溶解升管，形成反復(fù)的循環(huán)

14、，供給發(fā)酵液所耗的溶解氣量，使發(fā)酵正常進(jìn)行。分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。氣量，使發(fā)酵正常進(jìn)行。分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。2022-2-3192022-2-320優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積??；無攪拌傳動設(shè)備節(jié)省動結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積?。粺o攪拌傳動設(shè)備節(jié)省動力約力約50%，節(jié)省鋼材；操作時無噪音；料液可充，節(jié)省鋼材；操作時無噪音；料液可充滿滿80%90%，而不需加消泡劑；維修、操作及，而不需加消泡劑；維修、操作及清洗簡單，減少雜菌污染。清洗簡單，減少雜菌污染。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。（四）新型啤酒發(fā)酵設(shè)備（四）新型啤酒發(fā)酵設(shè)備圓筒體錐底發(fā)酵罐（錐形罐

15、）圓筒體錐底發(fā)酵罐（錐形罐）廣泛用于發(fā)酵啤酒生產(chǎn)。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于能廣泛用于發(fā)酵啤酒生產(chǎn)。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于能縮短發(fā)酵時間，而且具有生產(chǎn)上的靈活性。故能縮短發(fā)酵時間，而且具有生產(chǎn)上的靈活性。故能適合于生產(chǎn)各種類型啤酒的要求。這種設(shè)備一般適合于生產(chǎn)各種類型啤酒的要求。這種設(shè)備一般置于室外。已滅菌的新鮮麥芽汁與酵母由底部進(jìn)置于室外。已滅菌的新鮮麥芽汁與酵母由底部進(jìn)入罐內(nèi)，發(fā)酵最旺盛時，使用全部冷卻夾套，維入罐內(nèi)，發(fā)酵最旺盛時，使用全部冷卻夾套，維持適宜的發(fā)酵溫度。持適宜的發(fā)酵溫度。2022-2-322錐底內(nèi)角為錐底內(nèi)角為60度，內(nèi)有涂料的鋼罐的錐底內(nèi)角為度，內(nèi)有涂料的鋼罐的錐底內(nèi)角為75度，使排

16、污的時候，酵母可強(qiáng)制排出。罐的容度，使排污的時候，酵母可強(qiáng)制排出。罐的容量系數(shù)為量系數(shù)為80%85%。視罐體高度，冷卻夾套分為視罐體高度，冷卻夾套分為24段，錐體夾套可段，錐體夾套可設(shè)一段或不設(shè)。發(fā)酵罐應(yīng)保溫，以盡量減少冷、設(shè)一段或不設(shè)。發(fā)酵罐應(yīng)保溫，以盡量減少冷、熱消耗。多數(shù)是采用夾層聚胺酯發(fā)泡保溫。外殼熱消耗。多數(shù)是采用夾層聚胺酯發(fā)泡保溫。外殼多數(shù)是采用塑料、鋁或不銹鋼。罐體的材料為不多數(shù)是采用塑料、鋁或不銹鋼。罐體的材料為不銹鋼或碳鋼加涂料。銹鋼或碳鋼加涂料。四）新型啤酒發(fā)酵設(shè)備四）新型啤酒發(fā)酵設(shè)備圓筒體錐底發(fā)酵罐（錐形罐）圓筒體錐底發(fā)酵罐（錐形罐）廣泛用于發(fā)酵啤酒生產(chǎn)。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在

17、于能廣泛用于發(fā)酵啤酒生產(chǎn)。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于能縮短發(fā)酵時間，而且具有生產(chǎn)上的靈活性。故縮短發(fā)酵時間，而且具有生產(chǎn)上的靈活性。故能適合于生產(chǎn)各種類型啤酒的要求。這種設(shè)備能適合于生產(chǎn)各種類型啤酒的要求。這種設(shè)備一般置于室外。已滅菌的新鮮麥芽汁與酵母由一般置于室外。已滅菌的新鮮麥芽汁與酵母由底部進(jìn)入罐內(nèi)，發(fā)酵最旺盛時，使用全部冷卻底部進(jìn)入罐內(nèi)，發(fā)酵最旺盛時，使用全部冷卻夾套，維持適宜的發(fā)酵溫度。夾套，維持適宜的發(fā)酵溫度。立體為圓柱形，底蓋和頂蓋為圓形封頭或錐形的立體為圓柱形，底蓋和頂蓋為圓形封頭或錐形的立式金屬容器。罐頂裝有廢氣回收管，進(jìn)料管、立式金屬容器。罐頂裝有廢氣回收管，進(jìn)料管、接種管、壓力表

18、和各種測量儀器接口。罐底裝有接種管、壓力表和各種測量儀器接口。罐底裝有排料口和排污口。還有人孔。發(fā)酵罐的冷卻裝排料口和排污口。還有人孔。發(fā)酵罐的冷卻裝置，對于中小型發(fā)酵罐，多采用罐頂噴水淋于罐置，對于中小型發(fā)酵罐，多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面，進(jìn)行膜狀冷卻。對于大型發(fā)酵罐，由外壁表面，進(jìn)行膜狀冷卻。對于大型發(fā)酵罐，由于罐外壁冷卻面積不能滿足冷卻要求，所以罐內(nèi)于罐外壁冷卻面積不能滿足冷卻要求，所以罐內(nèi)裝有冷卻蛇管。裝有冷卻蛇管。2022-2-325（六）動物細(xì)胞生物反應(yīng)器（六）動物細(xì)胞生物反應(yīng)器氣升式生物反應(yīng)器氣升式生物反應(yīng)器只能培養(yǎng)懸浮生長的細(xì)胞只能培養(yǎng)懸浮生長的細(xì)胞中空纖維管生物反應(yīng)器中空纖

19、維管生物反應(yīng)器即可培養(yǎng)懸浮生長的細(xì)胞，也可培養(yǎng)貼壁依賴性細(xì)胞即可培養(yǎng)懸浮生長的細(xì)胞，也可培養(yǎng)貼壁依賴性細(xì)胞主要用來培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞，生產(chǎn)單克隆抗體主要用來培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞，生產(chǎn)單克隆抗體通氣攪拌反應(yīng)器通氣攪拌反應(yīng)器動物細(xì)胞是一種無細(xì)胞壁的真核細(xì)胞，生長緩慢，對培動物細(xì)胞是一種無細(xì)胞壁的真核細(xì)胞，生長緩慢，對培養(yǎng)環(huán)境十分敏感。動物細(xì)胞十分脆弱，對剪切應(yīng)力敏養(yǎng)環(huán)境十分敏感。動物細(xì)胞十分脆弱，對剪切應(yīng)力敏感。一種安全有效的方法是通過改變通入培養(yǎng)罐內(nèi)氣體感。一種安全有效的方法是通過改變通入培養(yǎng)罐內(nèi)氣體的氧氣和氮?dú)鈦韺?shí)現(xiàn)控制的氧氣和氮?dú)鈦韺?shí)現(xiàn)控制DO。采用二氧化碳和碳酸氫鈉。采用二氧化碳和碳酸氫鈉緩沖液來控

20、制體系的緩沖液來控制體系的pH值，它主要是預(yù)先加入適量的碳值，它主要是預(yù)先加入適量的碳酸氫鈉和通過改變進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)氣體流量中的二氧化碳酸氫鈉和通過改變進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)氣體流量中的二氧化碳的含量來實(shí)現(xiàn)。的含量來實(shí)現(xiàn)。2022-2-3272022-2-328（七）植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器（七）植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器同上同上 植物細(xì)胞比微生物細(xì)胞大得多。由于大小不一植物細(xì)胞比微生物細(xì)胞大得多。由于大小不一樣，產(chǎn)生一系列問題比如混合和傳質(zhì)問題。另樣，產(chǎn)生一系列問題比如混合和傳質(zhì)問題。另一個問題是植物細(xì)胞很少是以單一細(xì)胞懸浮生一個問題是植物細(xì)胞很少是以單一細(xì)胞懸浮生長，通常是一團(tuán)細(xì)胞非均相集合體，當(dāng)細(xì)胞密長，通常是一

21、團(tuán)細(xì)胞非均相集合體，當(dāng)細(xì)胞密度高，粘性大的時候，容易產(chǎn)生混合和循環(huán)不度高，粘性大的時候，容易產(chǎn)生混合和循環(huán)不良。高剪切力易損壞植物細(xì)胞壁。所有植物細(xì)良。高剪切力易損壞植物細(xì)胞壁。所有植物細(xì)胞都是好氧的，需要連續(xù)不斷供氧，與微生物胞都是好氧的，需要連續(xù)不斷供氧，與微生物細(xì)胞相反，它不需要高的氣液傳質(zhì)速率，而是細(xì)胞相反，它不需要高的氣液傳質(zhì)速率，而是要控制供氧量，以保持較低的水平。植物細(xì)胞要控制供氧量，以保持較低的水平。植物細(xì)胞對溶氧的變化非常敏感，太高或太低都有不良對溶氧的變化非常敏感，太高或太低都有不良影響。影響。生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本原則生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本原則在反應(yīng)系統(tǒng)的已滅菌部分與未滅菌部分之

22、間不在反應(yīng)系統(tǒng)的已滅菌部分與未滅菌部分之間不應(yīng)直接連通。應(yīng)直接連通。盡量較少法蘭連接。盡量較少法蘭連接。盡可能采用全部焊接結(jié)構(gòu)。所有焊接點(diǎn)必須切盡可能采用全部焊接結(jié)構(gòu)。所有焊接點(diǎn)必須切實(shí)磨光，消除蓄積菌體的場所。實(shí)磨光，消除蓄積菌體的場所。防止死角、裂縫。發(fā)酵系統(tǒng)的某些部分能單獨(dú)防止死角、裂縫。發(fā)酵系統(tǒng)的某些部分能單獨(dú)滅菌。與發(fā)酵罐相通的任何連接都應(yīng)蒸汽密封，滅菌。與發(fā)酵罐相通的任何連接都應(yīng)蒸汽密封，如采樣口的閥門在不使用時，其出口處應(yīng)有流動如采樣口的閥門在不使用時，其出口處應(yīng)有流動蒸汽通過。蒸汽通過。所用閥門應(yīng)易于清洗、維修和滅菌。所用閥門應(yīng)易于清洗、維修和滅菌。 發(fā)酵罐應(yīng)始終保持在正壓以排

23、除滲漏。發(fā)酵罐應(yīng)始終保持在正壓以排除滲漏。幾乎所有的發(fā)酵罐都由玻璃或不銹鋼制成。玻幾乎所有的發(fā)酵罐都由玻璃或不銹鋼制成。玻璃只限用在小于璃只限用在小于2030L的發(fā)酵罐。的發(fā)酵罐。2022-2-331四四. 比擬放大比擬放大為了使小型發(fā)酵試驗(yàn)所獲得的規(guī)律和數(shù)據(jù)能在大為了使小型發(fā)酵試驗(yàn)所獲得的規(guī)律和數(shù)據(jù)能在大生產(chǎn)中再現(xiàn)，就要掌握和運(yùn)用放大技術(shù)。一般采生產(chǎn)中再現(xiàn)，就要掌握和運(yùn)用放大技術(shù)。一般采用相似原理進(jìn)行比擬放大。用相似原理進(jìn)行比擬放大。比擬放大的基本方法：首先必須找出表征此系統(tǒng)比擬放大的基本方法：首先必須找出表征此系統(tǒng)的各種參數(shù)，將它們組成幾個具有一定物理含義的各種參數(shù)，將它們組成幾個具有一定

24、物理含義的無因次數(shù)，并建立它們之間的函數(shù)式，然后用的無因次數(shù)，并建立它們之間的函數(shù)式，然后用實(shí)驗(yàn)的方法在試驗(yàn)設(shè)備里求得此函數(shù)式中所包含實(shí)驗(yàn)的方法在試驗(yàn)設(shè)備里求得此函數(shù)式中所包含的的 常數(shù)和指數(shù)，則此關(guān)系式便可用作與此試驗(yàn)常數(shù)和指數(shù)，則此關(guān)系式便可用作與此試驗(yàn)設(shè)備幾何相似的大型設(shè)備的設(shè)計(jì)。設(shè)備幾何相似的大型設(shè)備的設(shè)計(jì)。比擬放大不是簡單的按比例放大，而是建比擬放大不是簡單的按比例放大，而是建立在幾何相似、培養(yǎng)條件相同和微生物在立在幾何相似、培養(yǎng)條件相同和微生物在反應(yīng)器中充分分散等基本假設(shè)之上的。放反應(yīng)器中充分分散等基本假設(shè)之上的。放大與通氣、攪拌等技術(shù)構(gòu)成了生化工程的大與通氣、攪拌等技術(shù)構(gòu)成了生化

25、工程的核心部分。應(yīng)用在微生物的放大方面，則核心部分。應(yīng)用在微生物的放大方面，則需要由小試放大到中試進(jìn)行討論，這是生需要由小試放大到中試進(jìn)行討論，這是生化工程的一個基本特征。化工程的一個基本特征。2022-2-333 化學(xué)工業(yè)中，每級放大在化學(xué)工業(yè)中，每級放大在50倍以下，而倍以下，而且每級放大時需對前級參數(shù)進(jìn)行修正。且每級放大時需對前級參數(shù)進(jìn)行修正。生物工業(yè)中，放大的倍數(shù)有的高達(dá)生物工業(yè)中，放大的倍數(shù)有的高達(dá)200倍，倍，如外國某公司用于單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)的如外國某公司用于單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)的300m3反應(yīng)器是從反應(yīng)器是從1.5m3反應(yīng)器直接放大反應(yīng)器直接放大得到的。一般生物反應(yīng)器的放大倍數(shù)為得到的。

26、一般生物反應(yīng)器的放大倍數(shù)為10。2022-2-334（一）比擬放大的方法（一）比擬放大的方法1. 幾何尺寸的放大幾何尺寸的放大根據(jù)幾何相似的原則根據(jù)幾何相似的原則D2/D1=Di2/Di1=(V2/V1)1/3D-反應(yīng)器直徑反應(yīng)器直徑Di-攪拌器直徑攪拌器直徑V-反應(yīng)器的裝料容積反應(yīng)器的裝料容積2022-2-3352.通風(fēng)量的放大通風(fēng)量的放大按單位體積液體通風(fēng)量按單位體積液體通風(fēng)量Q/V相等相等大型反應(yīng)器液柱高，空氣在液體中所走的路程和大型反應(yīng)器液柱高，空氣在液體中所走的路程和氣液接觸時間均長于小型反應(yīng)器。因此大型反應(yīng)氣液接觸時間均長于小型反應(yīng)器。因此大型反應(yīng)器的有較高的空氣利用率，放大時大型

27、反應(yīng)器的器的有較高的空氣利用率，放大時大型反應(yīng)器的Q/V比小型設(shè)備的比小型設(shè)備的Q/V小。小。按通風(fēng)截面空氣線速度按通風(fēng)截面空氣線速度VS相等放大相等放大反應(yīng)器空截面的空氣線速度反應(yīng)器空截面的空氣線速度Vs的大小表征了液體的大小表征了液體的通風(fēng)強(qiáng)度。對于空氣利用率較好的反應(yīng)器，大的通風(fēng)強(qiáng)度。對于空氣利用率較好的反應(yīng)器，大罐的罐的VS應(yīng)適當(dāng)大于小罐的。應(yīng)適當(dāng)大于小罐的。按通風(fēng)準(zhǔn)數(shù)相等放大按通風(fēng)準(zhǔn)數(shù)相等放大2022-2-336按體積溶氧系數(shù)相等放大按體積溶氧系數(shù)相等放大經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)數(shù)的整理，可得通風(fēng)量經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)數(shù)的整理，可得通風(fēng)量Q與溶與溶氧系數(shù)氧系數(shù)kLa(Q/V)HL2/3kLa-體

28、積溶氧系數(shù)（體積溶氧系數(shù)（1/h）Q-通風(fēng)量通風(fēng)量(m3/min);V-發(fā)酵液體積發(fā)酵液體積(m3)HL-發(fā)酵液深度發(fā)酵液深度(m)(kLa)2/(kLa)1=(Q/V)2/(Q/V)1.(HL2/HL1)2/3(Q/V)2/(Q/V)1=(HL1/HL2)2/3=(D1/D2)2/3(VVM)2/(VVM)1=(D1/D2)2/3大罐單位體積需要的通風(fēng)量要比小罐的小得多。大罐單位體積需要的通風(fēng)量要比小罐的小得多。2022-2-3372022-2-3383. 攪拌功率放大攪拌功率放大攪拌功率是影響溶氧最主要的因素，因而在機(jī)械攪拌功率是影響溶氧最主要的因素，因而在機(jī)械攪拌生化反應(yīng)器中，攪拌功率的

29、放大是整個放大攪拌生化反應(yīng)器中，攪拌功率的放大是整個放大中最主要的內(nèi)容。對于一定性質(zhì)的液體，由于攪中最主要的內(nèi)容。對于一定性質(zhì)的液體，由于攪拌功率的大小取決于攪拌轉(zhuǎn)速拌功率的大小取決于攪拌轉(zhuǎn)速n和攪拌器直徑和攪拌器直徑Di，因此攪拌功率的放大實(shí)際上是因此攪拌功率的放大實(shí)際上是n和和Di的放大。若的放大。若集合相似，則集合相似，則Di一定，放大問題就只是選擇攪拌一定，放大問題就只是選擇攪拌轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n的問題。的問題。2022-2-339按雷諾準(zhǔn)數(shù)按雷諾準(zhǔn)數(shù)Re相等放大相等放大n2/n1=(Di1/Di2)2=(D1/D2)2在某些情況下可作為放大的依據(jù)在某些情況下可作為放大的依據(jù)按單位體積液體消耗

30、功率按單位體積液體消耗功率P/V相等放大相等放大Pn3Di5 P/V n3Di2若若P/V相等，即相等，即 (n3Di2)1 = (n3Di2)2n2/n1=(Di1/Di2)2/3=(D1/D2)2/3上述功率上述功率P是不通氣時的攪拌功率，它與通氣情是不通氣時的攪拌功率，它與通氣情況下的功率消耗是成比例的。況下的功率消耗是成比例的。按體積溶氧系數(shù)相等放大按體積溶氧系數(shù)相等放大溶氧系數(shù)是所有好氣性發(fā)酵的主要指標(biāo)，任何通溶氧系數(shù)是所有好氣性發(fā)酵的主要指標(biāo)，任何通氣發(fā)酵在一定條件下都有一個達(dá)到最大產(chǎn)率的溶氣發(fā)酵在一定條件下都有一個達(dá)到最大產(chǎn)率的溶氧系數(shù)，故維持大、小罐的溶氧系數(shù)相等進(jìn)行放氧系數(shù)，

31、故維持大、小罐的溶氧系數(shù)相等進(jìn)行放大是合理的。大是合理的。2022-2-340按攪拌器末端線速度按攪拌器末端線速度nDi相等放大相等放大如果在小型設(shè)備中攪拌器所產(chǎn)生的最大剪切力已如果在小型設(shè)備中攪拌器所產(chǎn)生的最大剪切力已接近微生物的剪應(yīng)極限，這時就必須按攪拌器末接近微生物的剪應(yīng)極限，這時就必須按攪拌器末端線速度相等來進(jìn)行放大。端線速度相等來進(jìn)行放大。按單位體積攪拌循環(huán)量按單位體積攪拌循環(huán)量F/V相等放大相等放大對于連續(xù)發(fā)酵和在發(fā)酵過程中需要補(bǔ)料的分批發(fā)對于連續(xù)發(fā)酵和在發(fā)酵過程中需要補(bǔ)料的分批發(fā)酵，要求整個反應(yīng)器的液體快速均勻混合，使液酵，要求整個反應(yīng)器的液體快速均勻混合，使液體中產(chǎn)物和底物的濃

32、度均勻一致，這時就必須按體中產(chǎn)物和底物的濃度均勻一致，這時就必須按F/V相等的原則進(jìn)行放大。相等的原則進(jìn)行放大。2022-2-341（二）機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的比擬放大（二）機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的比擬放大1.放大依據(jù)準(zhǔn)則的選擇放大依據(jù)準(zhǔn)則的選擇溶氧系數(shù)相等溶氧系數(shù)相等單位體積發(fā)酵液消耗功率相等單位體積發(fā)酵液消耗功率相等2022-2-342以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn)的比擬放大方法以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn)的比擬放大方法體積溶氧系數(shù)（亞硫酸鹽氧化值）體積溶氧系數(shù)（亞硫酸鹽氧化值）kd 主要步驟主要步驟1）確定試驗(yàn)設(shè)備的主要參數(shù)，并試算）確定試驗(yàn)設(shè)備的主要參數(shù)，并試算kd值值2）按集合相似原則確定放大設(shè)備的主要尺寸）按集合相似原則確定放大設(shè)備的主要尺寸3）決定通風(fēng)量）決定通風(fēng)量4）按溶氧系數(shù)相等的原則