生物反應(yīng)器的比擬放大

1、 生生物物反反應(yīng)應(yīng)器器的的比比擬擬放放大大2 “發(fā)酵放大是一門藝術(shù)，而不是一門科發(fā)酵放大是一門藝術(shù)，而不是一門科學(xué)學(xué)” A.E.Humphrey3Contents：1 1、生物反應(yīng)器比擬放大的概念生物反應(yīng)器比擬放大的概念2、生物反應(yīng)器比擬放大的方法、生物反應(yīng)器比擬放大的方法3、生物反應(yīng)器比擬放大需要考慮的因素、生物反應(yīng)器比擬放大需要考慮的因素4、小結(jié)、小結(jié)4l生物反應(yīng)器的放大是指在反應(yīng)器的生物反應(yīng)器的放大是指在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作設(shè)計(jì)與操作上，將上，將小型反應(yīng)器的小型反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)結(jié)果最優(yōu)反應(yīng)結(jié)果轉(zhuǎn)移至工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中轉(zhuǎn)移至工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中重現(xiàn)的過程。重現(xiàn)的過程。l生物工程產(chǎn)品的研究開發(fā)的三個(gè)

2、階段：生物工程產(chǎn)品的研究開發(fā)的三個(gè)階段： （1 1）實(shí)驗(yàn)室階段）實(shí)驗(yàn)室階段 （2 2）中試）中試 （3 3）工廠化生產(chǎn)）工廠化生產(chǎn)1.1 比擬放大的定義比擬放大的定義1 1、生物反應(yīng)器比擬放大的概念生物反應(yīng)器比擬放大的概念5第一階段第一階段 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，進(jìn)行菌種的篩選和培養(yǎng)基的研究實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，進(jìn)行菌種的篩選和培養(yǎng)基的研究6第二階段第二階段 中試工廠規(guī)模，確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件中試工廠規(guī)模，確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件7第三階段第三階段 工廠大規(guī)模生產(chǎn)工廠大規(guī)模生產(chǎn)8表表1 小型和大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的不同點(diǎn)小型和大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的不同點(diǎn)項(xiàng)項(xiàng) 目目實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器生產(chǎn)用反應(yīng)器生產(chǎn)用反應(yīng)

3、器功率消耗功率消耗不必考慮不必考慮需認(rèn)真對(duì)待需認(rèn)真對(duì)待反應(yīng)器內(nèi)空間反應(yīng)器內(nèi)空間控制檢測(cè)裝置占去一定控制檢測(cè)裝置占去一定空間空間無此影響無此影響混合特性混合特性可不必考慮可不必考慮需認(rèn)真對(duì)待需認(rèn)真對(duì)待換熱系統(tǒng)換熱系統(tǒng)較易解決較易解決較難解決較難解決9v核心問題：核心問題： 生物反應(yīng)器中有三種重要的過程： （1）熱力學(xué)過程， （2）微觀動(dòng)力學(xué)過程， （3）傳遞過程。 而核心問題是傳遞過程。因?yàn)橐?guī)模的放大對(duì)傳遞過程的影響最大。v放大目的：放大目的： 維持中試所得到的最佳的細(xì)胞生長(zhǎng)速率，產(chǎn)物的生成速率。產(chǎn)品的質(zhì)量高，成本低。必須使菌體在大中小型反應(yīng)器中所處的外界環(huán)境完全或基本一致。1.2 放大的核心問

4、題和目的放大的核心問題和目的101.3 比擬放大的準(zhǔn)則比擬放大的準(zhǔn)則（1）恒定單位體積功率）恒定單位體積功率 由Pg/V恒定而確定攪拌轉(zhuǎn)速。（Pg指通氣時(shí)的攪拌功率） 對(duì)黏度較高的非牛頓型流體或高細(xì)胞密度培養(yǎng)，應(yīng)用Pg/V恒定原則進(jìn)行放大的效果十分良好。11 這個(gè)方法抓住了傳氧這一關(guān)鍵因素，目前應(yīng)用很多。具體應(yīng)用中要注意幾個(gè)問題。 1.小試中要測(cè)得準(zhǔn)確的kLa值，選擇合適的計(jì)算公式。 2.注意各計(jì)算kLa公式在放大中參數(shù)的變化及適用范圍。 3.按照計(jì)算P0/Pg選擇通氣比，計(jì)算V，從而計(jì)算 kLa 。（P0指不通氣時(shí)的攪拌功率）（2）恒定傳氧系數(shù)）恒定傳氧系數(shù)(kLa)12 剪切力與攪拌槳葉端

5、的線速度成正比，從斷裂菌絲溢出核酸類物質(zhì)的數(shù)量與葉尖的線速度相關(guān)。在恒定體積功率放大時(shí)一般維持nd不變（n為攪拌槳轉(zhuǎn)速、d為攪拌槳直徑，一般攪拌葉輪直徑與罐直徑之比為0.330.45） （3）恒定剪切力恒定葉端速度）恒定剪切力恒定葉端速度13（4）恒定混合時(shí)間（）恒定混合時(shí)間（ tM ） 混合時(shí)間（混合時(shí)間（ tM ）：）：把少許具有與攪拌反應(yīng)器內(nèi)的液體相同物性的液體注入攪拌反應(yīng)器內(nèi)，兩者達(dá)到分子水平的均勻混合所需要的時(shí)間。 低黏度液體在小攪拌反應(yīng)器內(nèi)的混合時(shí)間很短。反應(yīng)器愈大，混合時(shí)間就愈長(zhǎng)。實(shí)際上按等混合時(shí)間放大是很難做到的，因?yàn)橐龅竭@一點(diǎn)，放大后反應(yīng)器的攪拌槳轉(zhuǎn)速需要比小反應(yīng)器攪拌槳轉(zhuǎn)

6、速提高很多。但作為一個(gè)校對(duì)的指標(biāo)，對(duì)某些體系確實(shí)必要。141.4 比擬放大一般流程比擬放大一般流程 生物反應(yīng)器的比擬放大是為了到達(dá)預(yù)期生物反應(yīng)器的比擬放大是為了到達(dá)預(yù)期經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，因此要經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，因此要綜合考慮，抓住關(guān)鍵的因綜合考慮，抓住關(guān)鍵的因數(shù)數(shù)。比擬放大的一般流程為：。比擬放大的一般流程為： （1） 幾何相似幾何相似放大確定放大的尺寸放大確定放大的尺寸； （2） 按按公式計(jì)算公式計(jì)算放大的其它參數(shù)放大的其它參數(shù)； （3） 根據(jù)具體情況進(jìn)行根據(jù)具體情況進(jìn)行適度調(diào)整適度調(diào)整。15 理論放大法理論放大法 建立反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量、質(zhì)量和能量平衡方程，求解建立反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量、質(zhì)量和能量平衡方程，求解 半

7、理論放大法半理論放大法 對(duì)難于求解的動(dòng)量橫算方程簡(jiǎn)化對(duì)難于求解的動(dòng)量橫算方程簡(jiǎn)化 因次分析法因次分析法 將動(dòng)量、質(zhì)量、熱量衡數(shù)以及有關(guān)的邊界條件、初始條將動(dòng)量、質(zhì)量、熱量衡數(shù)以及有關(guān)的邊界條件、初始條 件以無因次形式寫出用于放大過程。件以無因次形式寫出用于放大過程。 （由于對(duì)事物的機(jī)理缺乏透徹的了解，難以建立精確模型。）（由于對(duì)事物的機(jī)理缺乏透徹的了解，難以建立精確模型。） 以以k kL La a或或K Kd d相等為基準(zhǔn)放大相等為基準(zhǔn)放大 經(jīng)驗(yàn)放大經(jīng)驗(yàn)放大 以以 P P0 0/V/VL L相等為基準(zhǔn)放大相等為基準(zhǔn)放大 以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)放大以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)放大 以培養(yǎng)液溶氧

8、濃度為基準(zhǔn)放大以培養(yǎng)液溶氧濃度為基準(zhǔn)放大2、生物反應(yīng)器比擬放大的方法、生物反應(yīng)器比擬放大的方法162.1 理論放大方法理論放大方法l所謂理論放大法，就是所謂理論放大法，就是建立及求解反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量，建立及求解反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量，質(zhì)量和能量平衡方程質(zhì)量和能量平衡方程。由于發(fā)酵過程的復(fù)雜，有關(guān)反。由于發(fā)酵過程的復(fù)雜，有關(guān)反應(yīng)的酶未全部明白，以及攪拌功率在傳氧和剪切力之應(yīng)的酶未全部明白，以及攪拌功率在傳氧和剪切力之間較難平衡，所以這種放大方法是十分復(fù)雜的，很難間較難平衡，所以這種放大方法是十分復(fù)雜的，很難在實(shí)際中應(yīng)用，目前主要應(yīng)用在最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)（發(fā)酵在實(shí)際中應(yīng)用，目前主要應(yīng)用在最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)（發(fā)酵液為靜止

9、或流動(dòng)的滯留系統(tǒng)如某些固定化生物反應(yīng)器液為靜止或流動(dòng)的滯留系統(tǒng)如某些固定化生物反應(yīng)器的放大）。但此方法是以最系統(tǒng)，最科學(xué)的理論為依的放大）。但此方法是以最系統(tǒng)，最科學(xué)的理論為依據(jù)的方法，還是具有重要指導(dǎo)意義的。據(jù)的方法，還是具有重要指導(dǎo)意義的。17l如對(duì)于常見的機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐，想要應(yīng)用如對(duì)于常見的機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐，想要應(yīng)用理論放大方法就必須了解：理論放大方法就必須了解：1.必須了解三維熱傳遞方程，且邊界條件十分復(fù)雜；必須了解三維熱傳遞方程，且邊界條件十分復(fù)雜；2.傳遞過程之間必須是偶聯(lián)的，即從動(dòng)量衡算方程求解傳遞過程之間必須是偶聯(lián)的，即從動(dòng)量衡算方程求解的流動(dòng)分量必須用于質(zhì)量和熱量平衡方

10、程的求解；的流動(dòng)分量必須用于質(zhì)量和熱量平衡方程的求解；3.動(dòng)量衡算往往假定反應(yīng)系統(tǒng)為均相液體，但對(duì)通氣生動(dòng)量衡算往往假定反應(yīng)系統(tǒng)為均相液體，但對(duì)通氣生物發(fā)酵，培養(yǎng)液中存在大量氣泡較難分析。物發(fā)酵，培養(yǎng)液中存在大量氣泡較難分析。18 對(duì)于許多通氣發(fā)酵生對(duì)于許多通氣發(fā)酵生產(chǎn)，其產(chǎn)物相對(duì)濃度受單產(chǎn)，其產(chǎn)物相對(duì)濃度受單位體積發(fā)酵液攪拌功率或位體積發(fā)酵液攪拌功率或體積容氧系數(shù)的影響，不體積容氧系數(shù)的影響，不論細(xì)菌還是酵母其目的產(chǎn)論細(xì)菌還是酵母其目的產(chǎn)物與物與P/V或或Kla關(guān)系右如圖，關(guān)系右如圖，通常反應(yīng)器放大應(yīng)選用曲通常反應(yīng)器放大應(yīng)選用曲線近乎水平的范圍。線近乎水平的范圍。 19局限性：局限性：l總之

11、，對(duì)于發(fā)酵反應(yīng)器的理論放大，主要問題總之，對(duì)于發(fā)酵反應(yīng)器的理論放大，主要問題是目前仍無法求解生物反應(yīng)系統(tǒng)中的動(dòng)量衡算是目前仍無法求解生物反應(yīng)系統(tǒng)中的動(dòng)量衡算方程。所以，理論放大方法只能用于最簡(jiǎn)單的方程。所以，理論放大方法只能用于最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，例如發(fā)酵液是靜止的或流動(dòng)屬于滯留的系統(tǒng)，例如發(fā)酵液是靜止的或流動(dòng)屬于滯留的系統(tǒng)，如某些固定化生物反應(yīng)器的放大，以便系統(tǒng)，如某些固定化生物反應(yīng)器的放大，以便建立簡(jiǎn)單的動(dòng)量，質(zhì)量和能量平衡方程。建立簡(jiǎn)單的動(dòng)量，質(zhì)量和能量平衡方程。202.2 半理論放大方法半理論放大方法l由上可知，理論放大方法難于求解動(dòng)量衡算方由上可知，理論放大方法難于求解動(dòng)量衡算方程。為解決

12、此矛盾，可對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，程。為解決此矛盾，可對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)攪拌槽反應(yīng)器或鼓泡塔，對(duì)攪拌槽反應(yīng)器或鼓泡塔，只考慮液流主體的只考慮液流主體的流動(dòng)，而忽略局部流動(dòng)，而忽略局部（如攪拌葉輪或罐壁附近）（如攪拌葉輪或罐壁附近）的復(fù)雜流動(dòng)的復(fù)雜流動(dòng)。21簡(jiǎn)單液體在穩(wěn)態(tài)條件下，質(zhì)量衡算方簡(jiǎn)單液體在穩(wěn)態(tài)條件下，質(zhì)量衡算方程為：程為：22局限性局限性l半理論放大方法是生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大最普半理論放大方法是生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大最普遍的實(shí)驗(yàn)研究方法。但是，液流主體模型通常遍的實(shí)驗(yàn)研究方法。但是，液流主體模型通常只能在小型實(shí)驗(yàn)規(guī)模的發(fā)酵反應(yīng)器（只能在小型實(shí)驗(yàn)規(guī)模的發(fā)酵反應(yīng)器（530L）中獲得，并非是在

13、大規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)中得到的中獲得，并非是在大規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)中得到的真實(shí)結(jié)果，故使用此法進(jìn)行放大有一定風(fēng)險(xiǎn)，真實(shí)結(jié)果，故使用此法進(jìn)行放大有一定風(fēng)險(xiǎn)，必須通過實(shí)際發(fā)酵過程進(jìn)行檢驗(yàn)校正。必須通過實(shí)際發(fā)酵過程進(jìn)行檢驗(yàn)校正。232.3 因次分析放大法因次分析放大法l所謂因次分析放大法就是在放大過程中，維持生物發(fā)所謂因次分析放大法就是在放大過程中，維持生物發(fā)酵系統(tǒng)參數(shù)構(gòu)成的無因次數(shù)群（稱為酵系統(tǒng)參數(shù)構(gòu)成的無因次數(shù)群（稱為準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)）恒定不變，）恒定不變，把反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量，質(zhì)量，熱量衡算以及有關(guān)的邊界把反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量，質(zhì)量，熱量衡算以及有關(guān)的邊界條件，初始條件以無因次形式構(gòu)建方程用于放大過程。條件，初始條件以無

14、因次形式構(gòu)建方程用于放大過程。盡管因次分析放大法的應(yīng)用有嚴(yán)格的限制，但此法還盡管因次分析放大法的應(yīng)用有嚴(yán)格的限制，但此法還是十分有用的。是十分有用的。l對(duì)因次分析放大法，準(zhǔn)數(shù)的合理構(gòu)建是關(guān)鍵，生化過對(duì)因次分析放大法，準(zhǔn)數(shù)的合理構(gòu)建是關(guān)鍵，生化過程常用參變量分為程常用參變量分為4大類：大類：(1)幾何參數(shù)幾何參數(shù)D,H,d（2）物）物理化學(xué)參數(shù)理化學(xué)參數(shù) ,(3)過程變量過程變量N,P,V（4）氣體常數(shù)）氣體常數(shù)g,R。另外準(zhǔn)數(shù)需要經(jīng)驗(yàn)和直覺的結(jié)合，參數(shù)不能選。另外準(zhǔn)數(shù)需要經(jīng)驗(yàn)和直覺的結(jié)合，參數(shù)不能選太多若選用到了無關(guān)或影響甚微的參數(shù)，參數(shù)過多就太多若選用到了無關(guān)或影響甚微的參數(shù)，參數(shù)過多就無法

15、放大了，若缺了重要參數(shù)，系統(tǒng)就無法用數(shù)學(xué)模無法放大了，若缺了重要參數(shù)，系統(tǒng)就無法用數(shù)學(xué)模型正確表達(dá)。故必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定起主導(dǎo)作型正確表達(dá)。故必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定起主導(dǎo)作用的機(jī)理，忽略無關(guān)參數(shù)，這點(diǎn)很重要。用的機(jī)理，忽略無關(guān)參數(shù)，這點(diǎn)很重要。24生物反應(yīng)器的因次分析放大過程生物反應(yīng)器的因次分析放大過程25局限性局限性l應(yīng)用因次分析放大法進(jìn)行反應(yīng)器放大，從原理應(yīng)用因次分析放大法進(jìn)行反應(yīng)器放大，從原理上講，準(zhǔn)數(shù)一經(jīng)獲得，進(jìn)行生物反應(yīng)器的放大上講，準(zhǔn)數(shù)一經(jīng)獲得，進(jìn)行生物反應(yīng)器的放大就簡(jiǎn)單了，只要對(duì)小型實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)裝置與大型就簡(jiǎn)單了，只要對(duì)小型實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)裝置與大型生產(chǎn)系統(tǒng)的同一準(zhǔn)數(shù)取相等數(shù)值就

16、可以了。但生產(chǎn)系統(tǒng)的同一準(zhǔn)數(shù)取相等數(shù)值就可以了。但實(shí)際上卻并不那樣簡(jiǎn)單，雖然均相系統(tǒng)的流動(dòng)實(shí)際上卻并不那樣簡(jiǎn)單，雖然均相系統(tǒng)的流動(dòng)問題較易解決，但對(duì)于有傳質(zhì)和傳熱同時(shí)進(jìn)行問題較易解決，但對(duì)于有傳質(zhì)和傳熱同時(shí)進(jìn)行的系統(tǒng)或非均質(zhì)流動(dòng)系統(tǒng)，問題就復(fù)雜了的系統(tǒng)或非均質(zhì)流動(dòng)系統(tǒng)，問題就復(fù)雜了。262.4 經(jīng)驗(yàn)放大法經(jīng)驗(yàn)放大法 除上面介紹的除上面介紹的3種生物反應(yīng)器的放大方法種生物反應(yīng)器的放大方法之外，還有經(jīng)驗(yàn)放大法，這也是最常用的放大之外，還有經(jīng)驗(yàn)放大法，這也是最常用的放大方法。根據(jù)不完全的調(diào)查結(jié)果，生物發(fā)酵工廠方法。根據(jù)不完全的調(diào)查結(jié)果，生物發(fā)酵工廠中好氧生物發(fā)酵反應(yīng)器應(yīng)用的各種經(jīng)驗(yàn)方法的中好氧生物發(fā)

17、酵反應(yīng)器應(yīng)用的各種經(jīng)驗(yàn)方法的比例，如表比例，如表3所示所示。27表表2 通氣發(fā)酵罐放大方法的比例通氣發(fā)酵罐放大方法的比例放大準(zhǔn)則放大準(zhǔn)則所占比例所占比例維持p0/VL不變30維持KLa不變30維持?jǐn)嚢杵魅~端線速度不變20維持培養(yǎng)液氧濃度不變20注：P0：發(fā)酵罐中不通氣的攪拌功率，kw； VL：發(fā)酵罐中反應(yīng)溶液的體積，m3； kla：發(fā)酵罐中體積溶氧系數(shù)，1/s或1/h。28經(jīng)驗(yàn)放大法的分類：經(jīng)驗(yàn)放大法的分類：以以k kL La a或或K Kd d相等為基準(zhǔn)放大相等為基準(zhǔn)放大以以P P0 0/V/VL L相等為基準(zhǔn)放大相等為基準(zhǔn)放大以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)放大以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)放大以混

18、合時(shí)間相等為基準(zhǔn)放大以混合時(shí)間相等為基準(zhǔn)放大29 許多許多好氧發(fā)酵好氧發(fā)酵，特別是生物細(xì)胞濃度較高，特別是生物細(xì)胞濃度較高時(shí)耗氧很快，故溶氧速率是否能滿足生物細(xì)時(shí)耗氧很快，故溶氧速率是否能滿足生物細(xì)胞的代謝與生長(zhǎng)就成為生物發(fā)酵生產(chǎn)的限制胞的代謝與生長(zhǎng)就成為生物發(fā)酵生產(chǎn)的限制因素。生物發(fā)酵的耗氧速率可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。因素。生物發(fā)酵的耗氧速率可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)踐證明，實(shí)踐證明，高好氧發(fā)酵應(yīng)用等高好氧發(fā)酵應(yīng)用等kLa的原則的原則進(jìn)進(jìn)行反應(yīng)器放大通常可獲得良好結(jié)果。行反應(yīng)器放大通常可獲得良好結(jié)果。2.4.1 以以kLa為基準(zhǔn)的比擬放大為基準(zhǔn)的比擬放大法法30以以kLa為基準(zhǔn)的比擬放大法為基準(zhǔn)的比擬放大法

19、適用條件：適用條件：高濃度細(xì)胞培養(yǎng)；高濃度細(xì)胞培養(yǎng)；消耗氧氣的速度很快；消耗氧氣的速度很快；氧氣的傳遞速率成為發(fā)酵關(guān)鍵因素。氧氣的傳遞速率成為發(fā)酵關(guān)鍵因素。31 在耗氧發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生在耗氧發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應(yīng)很容易因反應(yīng)器溶氧能力的限制受到影響，以物反應(yīng)很容易因反應(yīng)器溶氧能力的限制受到影響，以反應(yīng)器反應(yīng)器K KL La a的相同作為放大準(zhǔn)則，可以收到較好的效果。的相同作為放大準(zhǔn)則，可以收到較好的效果。以以K KL La a值相同值相同放大時(shí)，一放大時(shí)，一定要選一個(gè)定要選一個(gè)合適的合適的K KL La a值，值，可根據(jù)微生可根據(jù)微生物發(fā)酵產(chǎn)物物發(fā)酵產(chǎn)物

20、的產(chǎn)率與的產(chǎn)率與K KL La a大小的關(guān)系大小的關(guān)系 322.4.2 以以Po/VL相等為準(zhǔn)則的比擬放大相等為準(zhǔn)則的比擬放大l這種方法適用對(duì)于這種方法適用對(duì)于以溶氧速率以溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)控制發(fā)酵反應(yīng)的生物發(fā)酵，粘度較高的的生物發(fā)酵，粘度較高的非牛頓型流體或高非牛頓型流體或高細(xì)胞密度細(xì)胞密度的培養(yǎng)的培養(yǎng) l P P0 0/V/VL L 常數(shù)常數(shù) 1. 1. 對(duì)于不通氣的攪拌反應(yīng)器對(duì)于不通氣的攪拌反應(yīng)器 2. 2. 對(duì)于通氣攪拌反應(yīng)器，可取單位體積液對(duì)于通氣攪拌反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大33 對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器

21、，可取單位對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大，即：大，即：,353iLiPnD VD()213212DnnD()32211DPPD 對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大 .()()21G0 750 081212GQDnnDQ.()()2211G2 770 242gg1GQDPPDQ 對(duì)于不通氣時(shí)的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，軸功率對(duì)于不通氣時(shí)的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，軸功率計(jì)算：計(jì)算： 34

22、2.4.3 以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)放大以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)放大l實(shí)踐表明，應(yīng)用絲狀菌進(jìn)行發(fā)酵，因這類微生實(shí)踐表明，應(yīng)用絲狀菌進(jìn)行發(fā)酵，因這類微生物細(xì)胞受攪拌剪切的影響較明顯，而物細(xì)胞受攪拌剪切的影響較明顯，而攪拌葉尖攪拌葉尖線速度是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。若僅僅維線速度是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。若僅僅維持持kLa相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導(dǎo)相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導(dǎo)致放大設(shè)計(jì)失誤。致放大設(shè)計(jì)失誤。l在在Po/VL相等的條件下，相等的條件下，Di/D越?。崔D(zhuǎn)速越越?。崔D(zhuǎn)速越高），攪拌剪切越強(qiáng)烈，這有利于菌絲團(tuán)的分高），攪拌剪切越強(qiáng)烈，這有利于菌絲團(tuán)的分散和氣泡的破裂細(xì)

23、碎，從而有利于溶氧傳質(zhì)和散和氣泡的破裂細(xì)碎，從而有利于溶氧傳質(zhì)和胞內(nèi)代謝產(chǎn)物的向外擴(kuò)散，因此通常有利于代胞內(nèi)代謝產(chǎn)物的向外擴(kuò)散，因此通常有利于代謝產(chǎn)物抑制發(fā)酵的生物反應(yīng)系統(tǒng)。謝產(chǎn)物抑制發(fā)酵的生物反應(yīng)系統(tǒng)。35例如例如：l在使用放線菌發(fā)在使用放線菌發(fā)酵生產(chǎn)新生霉素酵生產(chǎn)新生霉素時(shí)，在維持時(shí)，在維持Po/VL不變的條件下，不變的條件下，使用較小的攪拌使用較小的攪拌葉輪可獲得較高葉輪可獲得較高產(chǎn)量的抗生素，產(chǎn)量的抗生素，如圖所示。如圖所示。36總結(jié)：總結(jié)：l 所以，對(duì)于此類發(fā)酵系統(tǒng)，攪拌葉輪尖端所以，對(duì)于此類發(fā)酵系統(tǒng)，攪拌葉輪尖端線速度也是發(fā)酵反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)的重要因素，線速度也是發(fā)酵反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)的

24、重要因素，可作為放大基準(zhǔn)。但必須明確，若攪拌葉輪直可作為放大基準(zhǔn)。但必須明確，若攪拌葉輪直徑（徑（Di/D）過小，則攪拌泵送能力下降，混合）過小，則攪拌泵送能力下降，混合時(shí)間加長(zhǎng)，這會(huì)影響反應(yīng)溶液混合的均勻性。時(shí)間加長(zhǎng)，這會(huì)影響反應(yīng)溶液混合的均勻性。通常，對(duì)大多數(shù)的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度通常，對(duì)大多數(shù)的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度宜取宜取2.55m/s；對(duì)于球狀或短桿狀微生物可；對(duì)于球狀或短桿狀微生物可適當(dāng)增大，但最高也不宜超過適當(dāng)增大，但最高也不宜超過10m/s。372.4.4 以混合時(shí)間相等為基準(zhǔn)放大以混合時(shí)間相等為基準(zhǔn)放大（1）混合時(shí)間：發(fā)酵罐內(nèi)放入某種指示劑使發(fā)）混合時(shí)間：發(fā)酵罐內(nèi)放入某

25、種指示劑使發(fā)酵液和指示劑達(dá)到分子水平均勻混合所需要的酵液和指示劑達(dá)到分子水平均勻混合所需要的時(shí)間。時(shí)間。（2）對(duì)于不同反應(yīng)器型式和反應(yīng)介質(zhì)，其混合）對(duì)于不同反應(yīng)器型式和反應(yīng)介質(zhì)，其混合時(shí)間有不同的關(guān)聯(lián)式，進(jìn)行設(shè)計(jì)和放大時(shí)應(yīng)作時(shí)間有不同的關(guān)聯(lián)式，進(jìn)行設(shè)計(jì)和放大時(shí)應(yīng)作出合理的選擇。出合理的選擇。（3）不適用于大型發(fā)酵罐，因?yàn)槿绻创嗽瓌t）不適用于大型發(fā)酵罐，因?yàn)槿绻创嗽瓌tDi/D（攪拌葉輪）（攪拌葉輪） 會(huì)變大，即轉(zhuǎn)速變小。這會(huì)變大，即轉(zhuǎn)速變小。這樣溶氧效率低而且剪切力變大，但可作為一個(gè)樣溶氧效率低而且剪切力變大，但可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。38(1)(1)幾何相似放大幾何相似放大

26、按反應(yīng)器的各個(gè)部件的幾何尺寸比例進(jìn)行放大。放按反應(yīng)器的各個(gè)部件的幾何尺寸比例進(jìn)行放大。放大倍數(shù)實(shí)際上就是反應(yīng)器的增加倍數(shù)。大倍數(shù)實(shí)際上就是反應(yīng)器的增加倍數(shù)。1212HHDD常數(shù)32211VDmVD1132HmH1132DmD2.4.5 其他放大方法其他放大方法39（2） 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氣液接觸時(shí)間均長(zhǎng)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(shí)大型反應(yīng)器的 Q/V 比小型設(shè)備的 Q/V 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；相等； 放大反應(yīng)器空截面的

27、空氣線速度 Vs 的大小表征了液體的通風(fēng)強(qiáng)度。對(duì)于空氣利用率較好的反應(yīng)器，大罐的 Vs 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； 按體積溶氧系數(shù)相等放大。按體積溶氧系數(shù)相等放大。40（3）攪拌功率放大）攪拌功率放大l 攪拌功率是影響溶氧最主要的因素，因而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，攪拌功率的放大是在機(jī)械攪拌生化反應(yīng)器中，攪拌功率的放大是整個(gè)放大中最主要的內(nèi)容。整個(gè)放大中最主要的內(nèi)容。l 對(duì)于一定性質(zhì)的液體，由于攪拌功率的對(duì)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，因此攪拌功率

28、的放大實(shí)際上是此攪拌功率的放大實(shí)際上是 n 和和 Di 的放大。的放大。若集合相似，則若集合相似，則 Di 一定，放大問題就只是選一定，放大問題就只是選擇攪拌轉(zhuǎn)速擇攪拌轉(zhuǎn)速 n 的問題。的問題。41表表3 放大方法的比較放大方法的比較方方 法法放大后的攪拌轉(zhuǎn)速放大后的攪拌轉(zhuǎn)速/（r/min）等體積功率（非通氣）等體積功率（非通氣）107等體積功率（通氣）等體積功率（通氣）85等傳質(zhì)系數(shù)等傳質(zhì)系數(shù)79等葉端速度等葉端速度50等混合時(shí)間等混合時(shí)間100v 按照上述不同放大準(zhǔn)則所得出的結(jié)論，并以按照上述不同放大準(zhǔn)則所得出的結(jié)論，并以攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。進(jìn)行比較。 42總結(jié)：總結(jié)： l 從表從表

29、3可以看出，采用不同的放大準(zhǔn)則，可以看出，采用不同的放大準(zhǔn)則，其結(jié)果相差很大。這表明，若僅考慮將某一參其結(jié)果相差很大。這表明，若僅考慮將某一參數(shù)作為放大準(zhǔn)則進(jìn)行放大，則有一定片面性。數(shù)作為放大準(zhǔn)則進(jìn)行放大，則有一定片面性。l 這是因?yàn)楦鱾€(gè)參數(shù)之間相互聯(lián)系，而這這是因?yàn)楦鱾€(gè)參數(shù)之間相互聯(lián)系，而這種聯(lián)系又不都是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，因此要求放種聯(lián)系又不都是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，因此要求放大過程中要保證所有因素都不變是不可能的。大過程中要保證所有因素都不變是不可能的。l 對(duì)于經(jīng)驗(yàn)放大法，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際放對(duì)于經(jīng)驗(yàn)放大法，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際放大過程中應(yīng)用最多的是大過程中應(yīng)用最多的是以以k kL La a或或P P0

30、 0/V/VL L相等為基相等為基準(zhǔn)的放大。準(zhǔn)的放大。433、生物反應(yīng)器比擬放大需要考慮、生物反應(yīng)器比擬放大需要考慮的因素的因素物理因素物理因素u氧傳質(zhì)系數(shù)（KLa）u單位體積的攪拌功率u剪切應(yīng)力化學(xué)因素化學(xué)因素過程因素過程因素u種子的級(jí)數(shù)u滅菌條件443.1 物理因素物理因素3.1.1 氧傳質(zhì)系數(shù)（氧傳質(zhì)系數(shù)（KLa）pKLa能用于表征氧的傳質(zhì)能力。能用于表征氧的傳質(zhì)能力。pKLa受罐的大小，攪拌器的擋數(shù)和形狀，轉(zhuǎn)速，受罐的大小，攪拌器的擋數(shù)和形狀，轉(zhuǎn)速，擋板，通氣速率，罐壓等的影響。擋板，通氣速率，罐壓等的影響。pKLa在發(fā)酵過程中隨發(fā)酵液黏度的改變而變化，在發(fā)酵過程中隨發(fā)酵液黏度的改變而

31、變化，特別是絲狀菌的發(fā)酵，為非牛頓型流體特性，特別是絲狀菌的發(fā)酵，為非牛頓型流體特性，應(yīng)在線過程監(jiān)測(cè)。應(yīng)在線過程監(jiān)測(cè)。453.1.2單位體積的攪拌功率單位體積的攪拌功率 單位體積的攪拌功率常被用于發(fā)酵過程的單位體積的攪拌功率常被用于發(fā)酵過程的放大。此法的好處是容易從小型發(fā)酵罐中獲得。放大。此法的好處是容易從小型發(fā)酵罐中獲得。一些重要的因素，如黏度，已包含在攪拌功率一些重要的因素，如黏度，已包含在攪拌功率的實(shí)驗(yàn)數(shù)值內(nèi)。如現(xiàn)成的電機(jī)功率不足，采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)值內(nèi)。如現(xiàn)成的電機(jī)功率不足，采用稀配方或減小發(fā)酵罐的裝量也是一個(gè)方法。稀配方或減小發(fā)酵罐的裝量也是一個(gè)方法。463.1.3 剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力p 在

32、大型發(fā)酵罐中培養(yǎng)絲狀菌（如真菌或放線在大型發(fā)酵罐中培養(yǎng)絲狀菌（如真菌或放線菌），其菌絲常被攪拌葉打斷。剪切應(yīng)力與攪菌），其菌絲常被攪拌葉打斷。剪切應(yīng)力與攪拌葉尖的線速度成正比，從斷裂菌絲溢出核酸拌葉尖的線速度成正比，從斷裂菌絲溢出核酸類物質(zhì)的數(shù)量與葉尖的線速度相關(guān)。類物質(zhì)的數(shù)量與葉尖的線速度相關(guān)。p培養(yǎng)對(duì)剪切應(yīng)力敏感的微生物，應(yīng)降低攪拌速培養(yǎng)對(duì)剪切應(yīng)力敏感的微生物，應(yīng)降低攪拌速率，相應(yīng)增加攪拌器的直徑和采用多擋攪拌器，率，相應(yīng)增加攪拌器的直徑和采用多擋攪拌器，以提高發(fā)酵液的溶氧。以提高發(fā)酵液的溶氧。47圓盤彎葉圓盤彎葉圓盤平直葉圓盤平直葉圓盤箭葉圓盤箭葉凹葉圓盤凹葉圓盤l圓盤平直葉具有很大的圓

33、盤平直葉具有很大的循環(huán)輸送量和功率輸出，循環(huán)輸送量和功率輸出，適用于各種流體。適用于各種流體。l在混合要求特別高，溶在混合要求特別高，溶氧速率相對(duì)要求略低時(shí)，氧速率相對(duì)要求略低時(shí)，可用圓盤彎葉。可用圓盤彎葉。l圓盤箭葉軸向流動(dòng)較強(qiáng)圓盤箭葉軸向流動(dòng)較強(qiáng)烈，輸出功率較低。烈，輸出功率較低。l凹葉圓盤能耗低，縮短凹葉圓盤能耗低，縮短混合時(shí)間?；旌蠒r(shí)間。483.2 化學(xué)因素化學(xué)因素p 主要包括培養(yǎng)基的組成、濃度、氧化還原電主要包括培養(yǎng)基的組成、濃度、氧化還原電位、位、pH、氣體、氣體CO2、O2等。等。p在小型發(fā)酵罐中優(yōu)化的培養(yǎng)基成分放大到生產(chǎn)在小型發(fā)酵罐中優(yōu)化的培養(yǎng)基成分放大到生產(chǎn)罐中不一定合適。特

34、別是影響產(chǎn)物合成的主要罐中不一定合適。特別是影響產(chǎn)物合成的主要因素在生產(chǎn)過程中需要監(jiān)測(cè)，并通過補(bǔ)料控制因素在生產(chǎn)過程中需要監(jiān)測(cè)，并通過補(bǔ)料控制在適當(dāng)?shù)乃?。在適當(dāng)?shù)乃健?9 研究表明，通過通氣和攪拌控制氧化還原研究表明，通過通氣和攪拌控制氧化還原電位，從電位，從10L放大到放大到100L和和1000L中試罐（甚中試罐（甚至是幾何形狀不同的攪拌罐）是最為成功的方至是幾何形狀不同的攪拌罐）是最為成功的方法。不過，此法對(duì)其他品種的發(fā)酵是否適用還法。不過，此法對(duì)其他品種的發(fā)酵是否適用還有待證實(shí)。有待證實(shí)。503.3 過程因素過程因素 隨著發(fā)酵罐的容量增大，所需種子罐的級(jí)隨著發(fā)酵罐的容量增大，所需種子

35、罐的級(jí)數(shù)增加，且各級(jí)的種子培養(yǎng)基也不同，需滿足數(shù)增加，且各級(jí)的種子培養(yǎng)基也不同，需滿足生產(chǎn)菌不同生長(zhǎng)階段的需求。原材料的批與批生產(chǎn)菌不同生長(zhǎng)階段的需求。原材料的批與批之間的質(zhì)量差異有時(shí)也會(huì)影響產(chǎn)量。實(shí)地（罐之間的質(zhì)量差異有時(shí)也會(huì)影響產(chǎn)量。實(shí)地（罐內(nèi)）或連續(xù)（罐外）滅菌的方法對(duì)培養(yǎng)基的破內(nèi)）或連續(xù)（罐外）滅菌的方法對(duì)培養(yǎng)基的破壞是不同的，其結(jié)果也會(huì)影響產(chǎn)物的合成。壞是不同的，其結(jié)果也會(huì)影響產(chǎn)物的合成。513.3.1 種子的級(jí)數(shù)種子的級(jí)數(shù) 隨著過程的放大，各級(jí)種子的質(zhì)量也很重隨著過程的放大，各級(jí)種子的質(zhì)量也很重要，可以遵循以下的原則：要，可以遵循以下的原則：種子接種到生產(chǎn)罐后，其停滯（適應(yīng)）期應(yīng)盡種子接種到