生物反應器的比擬放大

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

2、階段：生物工程產品的研究開發(fā)的三個階段： （1 1）實驗室階段）實驗室階段 （2 2）中試）中試 （3 3）工廠化生產）工廠化生產1.1 比擬放大的定義比擬放大的定義1 1、生物反應器比擬放大的概念生物反應器比擬放大的概念5第一階段第一階段 實驗室規(guī)模，進行菌種的篩選和培養(yǎng)基的研究實驗室規(guī)模，進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)模生產工廠大規(guī)模生產8表表1 小型和大型生物反應器設計的不同點小型和大型生物反應器設計的不同點項項 目目實驗用反應器實驗用反應器生產用反應器生產用反應

3、器功率消耗功率消耗不必考慮不必考慮需認真對待需認真對待反應器內空間反應器內空間控制檢測裝置占去一定控制檢測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真對待需認真對待換熱系統(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： 生物反應器中有三種重要的過程： （1）熱力學過程， （2）微觀動力學過程， （3）傳遞過程。 而核心問題是傳遞過程。因為規(guī)模的放大對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胞生長速率，產物的生成速率。產品的質量高，成本低。必須使菌體在大中小型反應器中所處的外界環(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 比擬放大的準則比擬放大的準則（1）恒定單位體積功率）恒定單位體積功率 由Pg/V恒定而確定攪拌轉速。（Pg指通氣時的攪拌功率） 對黏度較高的非牛頓型流體或高細胞密度培養(yǎng)，應用Pg/V恒定原則進行放大的效果十分良好。11 這個方法抓住了傳氧這一關鍵因素，目前應用很多。具體應用中要注意幾個問題。 1.小試中要測得準確的kLa值，選擇合適的計算公式。 2.注意各計算kLa公式在放大中參數的變化及適用范圍。 3.按照計算P0/Pg選擇通氣比，計算V，從而計算 kLa 。（P0指不通氣時的攪拌功率）（2）恒定傳氧系數）恒定傳氧系數(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的數量與葉尖的線速度相關。在恒定體積功率放大時一般維持nd不變（n為攪拌槳轉速、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）恒定混合時間（）恒定混合時間（ tM ） 混合時間（混合時間（ tM ）：）：把少許具有與攪拌反應器內的液體相同物性的液體注入攪拌反應器內，兩者達到分子水平的均勻混合所需要的時間。 低黏度液體在小攪拌反應器內的混合時間很短。反應器愈大，混合時間就愈長。實際上按等混合時間放大是很難做到的，因為要做到這一點，放大后反應器的攪拌槳轉速需要比小反應器攪拌槳轉

6、速提高很多。但作為一個校對的指標，對某些體系確實必要。141.4 比擬放大一般流程比擬放大一般流程 生物反應器的比擬放大是為了到達預期生物反應器的比擬放大是為了到達預期經濟目標，因此要經濟目標，因此要綜合考慮，抓住關鍵的因綜合考慮，抓住關鍵的因數數。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） 按按公式計算公式計算放大的其它參數放大的其它參數； （3） 根據具體情況進行根據具體情況進行適度調整適度調整。15 理論放大法理論放大法 建立反應系統(tǒng)的動量、質量和能量平衡方程，求解建立反應系統(tǒng)的動量、質量和能量平衡方程，求解 半

7、理論放大法半理論放大法 對難于求解的動量橫算方程簡化對難于求解的動量橫算方程簡化 因次分析法因次分析法 將動量、質量、熱量衡數以及有關的邊界條件、初始條將動量、質量、熱量衡數以及有關的邊界條件、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。 （由于對事物的機理缺乏透徹的了解，難以建立精確模型。）（由于對事物的機理缺乏透徹的了解，難以建立精確模型。） 以以k kL La a或或K Kd d相等為基準放大相等為基準放大 經驗放大經驗放大 以以 P P0 0/V/VL L相等為基準放大相等為基準放大 以攪拌葉尖線速度相等為基準放大以攪拌葉尖線速度相等為基準放大 以培養(yǎng)液溶氧

8、濃度為基準放大以培養(yǎng)液溶氧濃度為基準放大2、生物反應器比擬放大的方法、生物反應器比擬放大的方法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系統(tǒng)的動量，建立及求解反應系統(tǒng)的動量，質量和能量平衡方程質量和能量平衡方程。由于發(fā)酵過程的復雜，有關反。由于發(fā)酵過程的復雜，有關反應的酶未全部明白，以及攪拌功率在傳氧和剪切力之應的酶未全部明白，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雜的，很難間較難平衡，所以這種放大方法是十分復雜的，很難在實際中應用，目前主要應用在最簡單的系統(tǒng)（發(fā)酵在實際中應用，目前主要應用在最簡單的系統(tǒng)（發(fā)酵液為靜止

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

10、程的求解；的流動分量必須用于質量和熱量平衡方程的求解；3.動量衡算往往假定反應系統(tǒng)為均相液體，但對通氣生動量衡算往往假定反應系統(tǒng)為均相液體，但對通氣生物發(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 對于許多通氣發(fā)酵生對于許多通氣發(fā)酵生產，其產物相對濃度受單產，其產物相對濃度受單位體積發(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的影響，不體積容氧系數的影響，不論細菌還是酵母其目的產論細菌還是酵母其目的產物與物與P/V或或Kla關系右如圖，關系右如圖，通常反應器放大應選用曲通常反應器放大應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、，對于發(fā)酵反應器的理論放大，主要問題總之，對于發(fā)酵反應器的理論放大，主要問題是目前仍無法求解生物反應系統(tǒng)中的動量衡算是目前仍無法求解生物反應系統(tǒng)中的動量衡算方程。所以，理論放大方法只能用于最簡單的方程。所以，理論放大方法只能用于最簡單的系統(tǒng)，例如發(fā)酵液是靜止的或流動屬于滯留的系統(tǒng)，例如發(fā)酵液是靜止的或流動屬于滯留的系統(tǒng)，如某些固定化生物反應器的放大，以便系統(tǒng)，如某些固定化生物反應器的放大，以便建立簡單的動量，質量和能量平衡方程。建立簡單的動量，質量和能量平衡方程。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量衡算方由上可知，理論放大方法難于求解動量衡算方程。為解決

12、此矛盾，可對動量方程進行簡化，程。為解決此矛盾，可對動量方程進行簡化，對攪拌槽反應器或鼓泡塔，對攪拌槽反應器或鼓泡塔，只考慮液流主體的只考慮液流主體的流動，而忽略局部流動，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）的復雜流動的復雜流動。21簡單液體在穩(wěn)態(tài)條件下，質量衡算方簡單液體在穩(wěn)態(tài)條件下，質量衡算方程為：程為：22局限性局限性l半理論放大方法是生物反應器設計與放大最普半理論放大方法是生物反應器設計與放大最普遍的實驗研究方法。但是，液流主體模型通常遍的實驗研究方法。但是，液流主體模型通常只能在小型實驗規(guī)模的發(fā)酵反應器（只能在小型實驗規(guī)模的發(fā)酵反應器（530L）中獲得，并非是在

13、大規(guī)模的生產系統(tǒng)中得到的中獲得，并非是在大規(guī)模的生產系統(tǒng)中得到的真實結果，故使用此法進行放大有一定風險，真實結果，故使用此法進行放大有一定風險，必須通過實際發(fā)酵過程進行檢驗校正。必須通過實際發(fā)酵過程進行檢驗校正。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)參數構成的無因次數群（稱為酵系統(tǒng)參數構成的無因次數群（稱為準數準數）恒定不變，）恒定不變，把反應系統(tǒng)的動量，質量，熱量衡算以及有關的邊界把反應系統(tǒng)的動量，質量，熱量衡算以及有關的邊界條件，初始條件以無因次形式構建方程用于放大過程。條件，初始條件以無

14、因次形式構建方程用于放大過程。盡管因次分析放大法的應用有嚴格的限制，但此法還盡管因次分析放大法的應用有嚴格的限制，但此法還是十分有用的。是十分有用的。l對因次分析放大法，準數的合理構建是關鍵，生化過對因次分析放大法，準數的合理構建是關鍵，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)幾何參數幾何參數D,H,d（2）物）物理化學參數理化學參數 ,(3)過程變量過程變量N,P,V（4）氣體常數）氣體常數g,R。另外準數需要經驗和直覺的結合，參數不能選。另外準數需要經驗和直覺的結合，參數不能選太多若選用到了無關或影響甚微的參數，參數過多就太多若選用到了無關或影響甚微的參數，參數過多就無法

15、放大了，若缺了重要參數，系統(tǒng)就無法用數學模無法放大了，若缺了重要參數，系統(tǒng)就無法用數學模型正確表達。故必須對系統(tǒng)進行分析，確定起主導作型正確表達。故必須對系統(tǒng)進行分析，確定起主導作用的機理，忽略無關參數，這點很重要。用的機理，忽略無關參數，這點很重要。24生物反應器的因次分析放大過程生物反應器的因次分析放大過程25局限性局限性l應用因次分析放大法進行反應器放大，從原理應用因次分析放大法進行反應器放大，從原理上講，準數一經獲得，進行生物反應器的放大上講，準數一經獲得，進行生物反應器的放大就簡單了，只要對小型實驗室反應裝置與大型就簡單了，只要對小型實驗室反應裝置與大型生產系統(tǒng)的同一準數取相等數值就

16、可以了。但生產系統(tǒng)的同一準數取相等數值就可以了。但實際上卻并不那樣簡單，雖然均相系統(tǒng)的流動實際上卻并不那樣簡單，雖然均相系統(tǒng)的流動問題較易解決，但對于有傳質和傳熱同時進行問題較易解決，但對于有傳質和傳熱同時進行的系統(tǒng)或非均質流動系統(tǒng)，問題就復雜了的系統(tǒng)或非均質流動系統(tǒng)，問題就復雜了。262.4 經驗放大法經驗放大法 除上面介紹的除上面介紹的3種生物反應器的放大方法種生物反應器的放大方法之外，還有經驗放大法，這也是最常用的放大之外，還有經驗放大法，這也是最常用的放大方法。根據不完全的調查結果，生物發(fā)酵工廠方法。根據不完全的調查結果，生物發(fā)酵工廠中好氧生物發(fā)酵反應器應用的各種經驗方法的中好氧生物發(fā)

17、酵反應器應用的各種經驗方法的比例，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則放大準則所占比例所占比例維持p0/VL不變30維持KLa不變30維持攪拌器葉端線速度不變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)酵罐中反應溶液的體積，m3； kla：發(fā)酵罐中體積溶氧系數，1/s或1/h。28經驗放大法的分類：經驗放大法的分類：以以k kL La a或或K Kd d相等為基準放大相等為基準放大以以P P0 0/V/VL L相等為基準放大相等為基準放大以攪拌葉尖線速度相等為基準放大以攪拌葉尖線速度相等為基準放大以混

18、合時間相等為基準放大以混合時間相等為基準放大29 許多許多好氧發(fā)酵好氧發(fā)酵，特別是生物細胞濃度較高，特別是生物細胞濃度較高時耗氧很快，故溶氧速率是否能滿足生物細時耗氧很快，故溶氧速率是否能滿足生物細胞的代謝與生長就成為生物發(fā)酵生產的限制胞的代謝與生長就成為生物發(fā)酵生產的限制因素。生物發(fā)酵的耗氧速率可通過實驗測定。因素。生物發(fā)酵的耗氧速率可通過實驗測定。實踐證明，實踐證明，高好氧發(fā)酵應用等高好氧發(fā)酵應用等kLa的原則的原則進進行反應器放大通?？色@得良好結果。行反應器放大通?？色@得良好結果。2.4.1 以以kLa為基準的比擬放大為基準的比擬放大法法30以以kLa為基準的比擬放大法為基準的比擬放大法

19、適用條件：適用條件：高濃度細胞培養(yǎng)；高濃度細胞培養(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)酵關鍵因素。氧氣的傳遞速率成為發(fā)酵關鍵因素。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，生物反應很容易因反應器溶氧能力的限制受到影響，以物反應很容易因反應器溶氧能力的限制受到影響，以反應器反應器K KL La a的相同作為放大準則，可以收到較好的效果。的相同作為放大準則，可以收到較好的效果。以以K KL La a值相同值相同放大時，一放大時，一定要選一個定要選一個合適的合適的K KL La a值，值，可根據微生可根據微生物發(fā)酵產物物發(fā)酵產物

20、的產率與的產率與K KL La a大小的關系大小的關系 322.4.2 以以Po/VL相等為準則的比擬放大相等為準則的比擬放大l這種方法適用對于這種方法適用對于以溶氧速率以溶氧速率控制發(fā)酵反應控制發(fā)酵反應的生物發(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胞密度細胞密度的培養(yǎng)的培養(yǎng) l P P0 0/V/VL L 常數常數 1. 1. 對于不通氣的攪拌反應器對于不通氣的攪拌反應器 2. 2. 對于通氣攪拌反應器，可取單位體積液對于通氣攪拌反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大33 對于通氣式機械攪拌生物反應器

21、，可取單位對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大，即：大，即：,353iLiPnD VD()213212DnnD()32211DPPD 對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大 .()()21G0 750 081212GQDnnDQ.()()2211G2 770 242gg1GQDPPDQ 對于不通氣時的機械攪拌生物反應器，軸功率對于不通氣時的機械攪拌生物反應器，軸功率計算：計算： 34

22、2.4.3 以攪拌葉尖線速度相等為基準放大以攪拌葉尖線速度相等為基準放大l實踐表明，應用絲狀菌進行發(fā)酵，因這類微生實踐表明，應用絲狀菌進行發(fā)酵，因這類微生物細胞受攪拌剪切的影響較明顯，而物細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度的關鍵。若僅僅維線速度是決定攪拌剪切強度的關鍵。若僅僅維持持kLa相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導致放大設計失誤。致放大設計失誤。l在在Po/VL相等的條件下，相等的條件下，Di/D越?。崔D速越越?。崔D速越高），攪拌剪切越強烈，這有利于菌絲團的分高），攪拌剪切越強烈，這有利于菌絲團的分散和氣泡的破裂細

23、碎，從而有利于溶氧傳質和散和氣泡的破裂細碎，從而有利于溶氧傳質和胞內代謝產物的向外擴散，因此通常有利于代胞內代謝產物的向外擴散，因此通常有利于代謝產物抑制發(fā)酵的生物反應系統(tǒng)。謝產物抑制發(fā)酵的生物反應系統(tǒng)。35例如例如：l在使用放線菌發(fā)在使用放線菌發(fā)酵生產新生霉素酵生產新生霉素時，在維持時，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量的抗生素，產量的抗生素，如圖所示。如圖所示。36總結：總結：l 所以，對于此類發(fā)酵系統(tǒng)，攪拌葉輪尖端所以，對于此類發(fā)酵系統(tǒng)，攪拌葉輪尖端線速度也是發(fā)酵反應器放大設計的重要因素，線速度也是發(fā)酵反應器放大設計的

24、重要因素，可作為放大基準。但必須明確，若攪拌葉輪直可作為放大基準。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，混合時間加長，這會影響反應溶液混合的均勻性。時間加長，這會影響反應溶液混合的均勻性。通常，對大多數的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度通常，對大多數的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度宜取宜取2.55m/s；對于球狀或短桿狀微生物可；對于球狀或短桿狀微生物可適當增大，但最高也不宜超過適當增大，但最高也不宜超過10m/s。372.4.4 以混合時間相等為基準放大以混合時間相等為基準放大（1）混合時間：發(fā)酵罐內放入某種指示劑使發(fā)）混合時間：發(fā)酵罐內放入某

25、種指示劑使發(fā)酵液和指示劑達到分子水平均勻混合所需要的酵液和指示劑達到分子水平均勻混合所需要的時間。時間。（2）對于不同反應器型式和反應介質，其混合）對于不同反應器型式和反應介質，其混合時間有不同的關聯(lián)式，進行設計和放大時應作時間有不同的關聯(lián)式，進行設計和放大時應作出合理的選擇。出合理的選擇。（3）不適用于大型發(fā)酵罐，因為如果按此原則）不適用于大型發(fā)酵罐，因為如果按此原則Di/D（攪拌葉輪）（攪拌葉輪） 會變大，即轉速變小。這會變大，即轉速變小。這樣溶氧效率低而且剪切力變大，但可作為一個樣溶氧效率低而且剪切力變大，但可作為一個標準進行校準。標準進行校準。38(1)(1)幾何相似放大幾何相似放大

26、按反應器的各個部件的幾何尺寸比例進行放大。放按反應器的各個部件的幾何尺寸比例進行放大。放大倍數實際上就是反應器的增加倍數。大倍數實際上就是反應器的增加倍數。1212HHDD常數32211VDmVD1132HmH1132DmD2.4.5 其他放大方法其他放大方法39（2） 通風量的放大通風量的放大按單位體積液體通風量按單位體積液體通風量 Q/V 相等；相等； 大型反應器液柱高，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器。因此大型反應器的有較高的空氣利用率，放大時大型反應器的 Q/V 比小型設備的 Q/V 小。按通風截面空氣線速度按通風截面空氣線速度 Vs相等；相等； 放大反應器空截面的

27、空氣線速度 Vs 的大小表征了液體的通風強度。對于空氣利用率較好的反應器，大罐的 Vs 應適當大于小罐的。按通風準數相等放大；按通風準數相等放大； 按體積溶氧系數相等放大。按體積溶氧系數相等放大。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，因而在機械攪拌生化反應器中，攪拌功率的放大是在機械攪拌生化反應器中，攪拌功率的放大是整個放大中最主要的內容。整個放大中最主要的內容。l 對于一定性質的液體，由于攪拌功率的對于一定性質的液體，由于攪拌功率的大小取決于攪拌轉速大小取決于攪拌轉速 n 和攪拌器直徑和攪拌器直徑 Di ，因，因此攪拌功率

28、的放大實際上是此攪拌功率的放大實際上是 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速擇攪拌轉速 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速放大后的攪拌轉速/（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等傳質系數等傳質系數79等葉端速度等葉端速度50等混合時間等混合時間100v 按照上述不同放大準則所得出的結論，并以按照上述不同放大準則所得出的結論，并以攪拌轉速攪拌轉速進行比較。進行比較。 42總結：總結： l 從表從表

29、3可以看出，采用不同的放大準則，可以看出，采用不同的放大準則，其結果相差很大。這表明，若僅考慮將某一參其結果相差很大。這表明，若僅考慮將某一參數作為放大準則進行放大，則有一定片面性。數作為放大準則進行放大，則有一定片面性。l 這是因為各個參數之間相互聯(lián)系，而這這是因為各個參數之間相互聯(lián)系，而這種聯(lián)系又不都是簡單的比例關系，因此要求放種聯(lián)系又不都是簡單的比例關系，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 對于經驗放大法，根據統(tǒng)計，在實際放對于經驗放大法，根據統(tǒng)計，在實際放大過程中應用最多的是大過程中應用最多的是以以k kL La a或或P P0

30、 0/V/VL L相等為基相等為基準的放大。準的放大。433、生物反應器比擬放大需要考慮、生物反應器比擬放大需要考慮的因素的因素物理因素物理因素u氧傳質系數（KLa）u單位體積的攪拌功率u剪切應力化學因素化學因素過程因素過程因素u種子的級數u滅菌條件443.1 物理因素物理因素3.1.1 氧傳質系數（氧傳質系數（KLa）pKLa能用于表征氧的傳質能力。能用于表征氧的傳質能力。pKLa受罐的大小，攪拌器的擋數和形狀，轉速，受罐的大小，攪拌器的擋數和形狀，轉速，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，應在線過程監(jiān)測。應在線過程監(jiān)測。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驗數值內。如現成的電機功率不足，采用的實驗數值內。如現成的電機功率不足，采用稀配方或減小發(fā)酵罐的裝量也是一個方法。稀配方或減小發(fā)酵罐的裝量也是一個方法。463.1.3 剪切應力剪切應力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。剪切應力與攪菌），其菌絲常被攪拌葉打斷。剪切應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的數量與葉尖的線速度相關。類物質的數量與葉尖的線速度相關。p培養(yǎng)對剪切應力敏感的微生物，應降低攪拌速培養(yǎng)對剪切應力敏感的微生物，應降低攪拌速率，相應增加攪拌器的直徑和采用多擋攪拌器，率，相應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，溶氧速率相對要求略低時，氧速率相對要求略低時，可用圓盤彎葉?？捎脠A盤彎葉。l圓盤箭葉軸向流動較強圓盤箭葉軸向流動較強烈，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，縮短混合時間?；旌蠒r間。483.2 化學因素化學因素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)基成分放大到生產在小型發(fā)酵罐中優(yōu)化的培養(yǎng)基成分放大到生產罐中不一定合適。特

34、別是影響產物合成的主要罐中不一定合適。特別是影響產物合成的主要因素在生產過程中需要監(jiān)測，并通過補料控制因素在生產過程中需要監(jiān)測，并通過補料控制在適當的水平。在適當的水平。49 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，此法對其他品種的發(fā)酵是否適用還法。不過，此法對其他品種的發(fā)酵是否適用還有待證實。有待證實。503.3 過程因素過程因素 隨著發(fā)酵罐的容量增大，所需種子罐的級隨著發(fā)酵罐的容量增大，所需種子

35、罐的級數增加，且各級的種子培養(yǎng)基也不同，需滿足數增加，且各級的種子培養(yǎng)基也不同，需滿足生產菌不同生長階段的需求。原材料的批與批生產菌不同生長階段的需求。原材料的批與批之間的質量差異有時也會影響產量。實地（罐之間的質量差異有時也會影響產量。實地（罐內）或連續(xù)（罐外）滅菌的方法對培養(yǎng)基的破內）或連續(xù)（罐外）滅菌的方法對培養(yǎng)基的破壞是不同的，其結果也會影響產物的合成。壞是不同的，其結果也會影響產物的合成。513.3.1 種子的級數種子的級數 隨著過程的放大，各級種子的質量也很重隨著過程的放大，各級種子的質量也很重要，可以遵循以下的原則：要，可以遵循以下的原則：種子接種到生產罐后，其停滯（適應）期應盡種子接種到