第六章生物反應(yīng)器的比擬放大

第六章生物反應(yīng)器的比擬放大第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)生物反應(yīng)器比擬放大的目的和方法

一.引言1．生物工程產(chǎn)品的研究開發(fā)的三個階段：（1）實驗室階段（2）中試（3）工廠化生產(chǎn)第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三2.生物反應(yīng)器的放大：以實驗室和中試所取得的數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計制造大規(guī)模的反應(yīng)系統(tǒng)以進(jìn)行工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三二．放大的核心問題和目的1．核心問題：生物反應(yīng)器中有三種重要的過程：熱力學(xué)過程，微觀動力學(xué)過程，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。第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三2．放大目的或指標(biāo)維持中試所得到的最佳的細(xì)胞生長速率，產(chǎn)物的生成速率。第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三三．放大的常用方法1．理論放大法（1）生物反應(yīng)器的傳遞：對流和擴(kuò)散起作用。（2）對流傳遞的時間常數(shù)：（3）擴(kuò)散傳遞時間常數(shù)：第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三（3）反應(yīng)轉(zhuǎn)化時間常數(shù)第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三理論法的定義：建立求解反應(yīng)系統(tǒng)的動量，質(zhì)量和能量平衡方程，來放大?！捎冢合到y(tǒng)的動量平衡方程難于建立和求解很難，所以在實際中很少應(yīng)用。只是用于發(fā)酵液靜止或?qū)儆跍飨到y(tǒng)。第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三2．半理論放大法（1）定義：由于難于建立動量平衡方程，為解決這一問題，對動量方程做了簡化：只考慮液體的主體流動，忽略局部的復(fù)雜的流動。流型：活塞流，帶液體微元分散的活塞流，完全混合流動。第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三（2）帶液體微元分散的活塞流質(zhì)量衡算方程：v……液體的流速，m/sc……反應(yīng)基質(zhì)濃度kg/m3De………基質(zhì)在培養(yǎng)基中的擴(kuò)散系數(shù)m2/sr……生物反應(yīng)速度kg/(m3*s)x…..傳遞方向的位移第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三(3)對于多罐串連的完全混合反應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量衡算方程qv（cn-cn+1）=Vn+1×rn+1qv…………………體積流量V………反應(yīng)液體積第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三3.因次分析法（1）準(zhǔn)數(shù)：無因次數(shù)群（無量綱數(shù)群）。（2）因次分析法的定義：依據(jù)質(zhì)量動量衡算方程構(gòu)建準(zhǔn)數(shù)，放大過程維持準(zhǔn)數(shù)不變。※準(zhǔn)數(shù)要有一定的物理意義第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三（3）準(zhǔn)數(shù)的構(gòu)成：幾何參數(shù)：H，D。物理化學(xué)參數(shù)：ρ，u。過程變量：N，VL常數(shù)例子講解以微元分散活塞流為例第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三4．經(jīng)驗法（最常用的方法）※重點講授第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的經(jīng)驗放大法

1．以體積溶氧系數(shù)相等來進(jìn)行放大（1）適用條件：高濃度細(xì)胞培養(yǎng)，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。第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三（2）過程：①幾何相似放大發(fā)酵罐②依據(jù)體積溶氧系數(shù)相等確定其它參數(shù)第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三2.按P0/VL相等原則進(jìn)行放大（P0，不通氣攪拌功率）（1）適用條件：對于溶氧速率控制的發(fā)酵反應(yīng)，發(fā)酵液為非牛頓型流體※有效放大范圍

第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三放大過程:第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三3.以攪拌葉尖線速度相等為原則進(jìn)行放大。有些情況，只是維持P0/VL不變，不能滿足細(xì)胞對攪拌器剪切力的要求（如對剪切力敏感，或需要高的剪切力使代謝物釋放出來）第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三4.以攪拌混合時間相等為原則進(jìn)行放大。（1）混合時間：發(fā)酵罐內(nèi)放入某種指示劑使發(fā)酵液和指示劑達(dá)到分子水平均勻混合所需要的時間。

(2)不適用于大型發(fā)酵罐，因為如果按此原則Di/D會變大，這樣溶氧效率低而且剪切力變大，但可作為一個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三（3）公式第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三5．以攪拌液流速度壓頭H、攪拌液流循環(huán)速率QL、或QL/H相等為準(zhǔn)則進(jìn)行放大。H∝(ЛnDi)2QL∝nDi3QL/H∝Di/n第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三二．氣升式反應(yīng)器的放大

通常以空截面氣速為基準(zhǔn)第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三總之放大是為了到達(dá)預(yù)期經(jīng)濟(jì)目標(biāo)：因此選擇方法，要綜合考慮，抓住關(guān)鍵的因數(shù)。但要明確：（1）放大通常的第一步是幾何相似放大確定放大的尺寸，（2）然后再按公式計算放大的其它參數(shù)，（3）最后再根據(jù)具體情況進(jìn)行適度調(diào)整。第24頁，共25頁，2023年，2月20日，星期三總結(jié)1．生物工程產(chǎn)品的研究開發(fā)有哪三個階段？2.生物反應(yīng)器放大的定義是什么？3.的核心