28-發(fā)酵過程的實驗室研究、中試和放大

1、發(fā)酵過程的實驗室研究、發(fā)酵過程的實驗室研究、中試和放大中試和放大常規(guī)放大進程常規(guī)放大進程第一節(jié) 小試（實驗室研究） 一、小試設(shè)備：一、小試設(shè)備： 生化培養(yǎng)箱、搖床生化培養(yǎng)箱、搖床/搖瓶柜、小型發(fā)酵罐。搖瓶柜、小型發(fā)酵罐。 (一一)、搖瓶機：、搖瓶機： 往復式：往復式：80-120rpm，沖程，沖程80-120mm；用于培養(yǎng)細菌、酵；用于培養(yǎng)細菌、酵母等單細胞菌體；母等單細胞菌體； 旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式：60-300rpm，偏心距，偏心距30-60mm。傳氧速率好、培。傳氧速率好、培養(yǎng)液不會濺瓶口。（普遍采用）養(yǎng)液不會濺瓶口。（普遍采用）搖瓶實驗搖瓶實驗影響微生物生長的物理因素：影響微生物生長的物理因素

2、： 1. 瓶塞是氧傳遞的限制因素瓶塞是氧傳遞的限制因素 2. 水蒸發(fā)的影響水蒸發(fā)的影響 影響培養(yǎng)液的體積，改變氧傳遞效率，改變影響培養(yǎng)液的體積，改變氧傳遞效率，改變菌體產(chǎn)物濃度菌體產(chǎn)物濃度 3. 比表面積的影響比表面積的影響(二）、小發(fā)酵罐 10L以下罐：以下罐：玻璃罐較多，大多玻璃罐較多，大多2級攪拌，六平葉，一般級攪拌，六平葉，一般最大最大600rpm，環(huán)形空氣分布管。，環(huán)形空氣分布管。 30- -150L罐：罐：不銹鋼罐，不銹鋼罐，3級攪拌，六平葉級攪拌，六平葉/彎葉，一般彎葉，一般最大最大500- -550rpm，空氣分布器：直管。，空氣分布器：直管。 都配有都配有DO、pH、T、泡沫

3、等傳感器。、泡沫等傳感器。（可直接檢測控制溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、通氣流量、罐壓、消泡、（可直接檢測控制溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、通氣流量、罐壓、消泡、 pH、DO、發(fā)酵液體積、補料量、排氣發(fā)酵液體積、補料量、排氣 CO2 和和 O2 等十多個在線參數(shù)）等十多個在線參數(shù)）v發(fā)酵罐（液體發(fā)酵）的種類：發(fā)酵罐（液體發(fā)酵）的種類：密閉厭氧發(fā)酵罐密閉厭氧發(fā)酵罐通氣攪拌發(fā)酵罐通氣攪拌發(fā)酵罐 機械攪拌通風發(fā)酵罐機械攪拌通風發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐 密閉厭氧發(fā)酵罐密閉厭氧發(fā)酵罐 2.1 機械攪拌通風發(fā)酵罐機械攪拌通風發(fā)酵罐圖6-1 小型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖1.三角皮帶轉(zhuǎn)軸；2.軸承支柱；3.聯(lián)軸節(jié)；

4、4.軸封；5.窺鏡；6.取樣口；7.冷卻水出口；8.夾套；9.罐壁；10.溫度計；11.軸；12.攪拌器；13.底軸承支架；14.放料口；15.冷水進口；16.通風管；17.熱電偶接口；18.擋板；19.接壓力表；20.手孔；21.電動機；22.排氣孔；23.取樣口；24.進料口；25.壓力表接口；26.窺鏡；27.手孔；28.補料口圖6-2；大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖1.軸封；2.人孔；3.梯子；4.聯(lián)軸節(jié)；5.中間軸承；6.熱電偶接口；7.攪拌器；8.通風管；9.放料口；10.底軸承；11.溫度計；12.冷卻管；13.軸； 14.取樣； 15.軸承柱；16.三角皮帶傳動；17.電動機；18.壓力表；

5、19.取樣口；20.人孔；21.進料口；22.補料口；23.排氣口；24.回流口；25.窺鏡攪拌器和擋板 1 攪拌器的作用，型式及特點攪拌器的作用，型式及特點 攪拌器的作用 打碎氣泡，產(chǎn)生漩渦，提高氧的利用率促進傳質(zhì)和傳熱液體流型：徑向流、軸向流、切向流 流型徑向流（葉片對液體施以徑向離心力，流體流動的方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環(huán)流動。）特點：剪切作用較強，混合效果較差流型軸向流（流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流）特點：剪切作用較弱，混合效果較好流

6、型切向流（無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運動，流速高時液體表面會形成旋渦，此時流體從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。）特點：剪切作用和混合效果很差螺螺 旋旋 槳槳 攪攪 拌拌 器器軸向流的代表優(yōu)點：混合效果好缺點：剪切作用差，不能阻止氣流沿攪拌軸上升，不能打碎氣泡，不利于溶氧，只用于培養(yǎng)基的配制，料液的混合。軸向流攪拌器的型式和特點徑向流攪拌器的型式與特點徑向流攪拌器的型式與特點圓盤平直葉渦輪攪拌器：是徑向流的代表，在圓盤上焊有六片平直葉，圓盤可阻止氣體沿攪拌軸上升，軸向流差，不利于混合，剪切作用強，有利于打碎氣泡，溶氧效果好，功率消耗大。圓盤彎葉渦輪攪拌器：徑向流較差，軸向

7、流較強，混合效果較好，剪切作用不如平直葉，溶氧效果不如平直葉，功率消耗小。圓盤箭葉渦輪攪拌器：軸向流強，徑向流差，剪切作用小，混合效果最好，溶氧效果差，功率消耗最小。+箭葉+彎葉+平直葉輸出溶氧混合剪切徑向流軸向流型式菌絲體發(fā)酵單細胞發(fā)酵應(yīng)用幾種渦輪攪拌器作用比較幾種渦輪攪拌器作用比較2 擋板擋板 （a） （b） （c）（a）周邊無檔板；（b）螺旋槳攪拌器周邊有垂直檔板；（c）渦輪攪拌器周邊有垂直檔板43p 擋板的作用：擋板的作用：改變液流的方向，將切向流改為軸向流,防止產(chǎn)生漩渦。提高攪拌混合效果，提高湍流強度.p 數(shù)目通常為數(shù)目通常為46塊，其寬度為塊，其寬度為0.10.12 D。p 全擋板

8、條件全擋板條件：是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時，攪拌：是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時，攪拌功率不再增加。（消除液面漩渦的最低條件）。功率不再增加。（消除液面漩渦的最低條件）。5 . 0)12. 01 . 0()(ZDDZDW式中： D罐的直徑（mm） Z擋板數(shù) W擋板寬度（mm）用來校驗檔板數(shù)是否夠3 消泡器消泡器作用：打碎泡沫，防止逃逸型式：鋸齒狀，梳狀，孔板狀，一般安裝在攪拌軸上高出液面的部位，隨攪拌軸轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，將泡沫打碎。長度： L=0.65D4 空氣分布管作用：使通入的空氣均勻分布型式： 單管式 正對罐底，距罐底 40mm，罐底襯不銹 鋼圓板，防空氣沖擊 環(huán) 式 易堵。p

9、 需要變速的原因：需要變速的原因：電機的轉(zhuǎn)速大于攪拌器所需轉(zhuǎn)速。 電機分四級，轉(zhuǎn)速分別約為： 800、1000、1400、1600 rpm； 而攪拌轉(zhuǎn)速則一般為90-110rpm。 發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動。5 傳動傳動裝置裝置（1）變速裝置）變速裝置（2）攪拌軸：）攪拌軸：v有上懸式和下伸式兩種n作用：對軸固定，防止擺動，同時又不影響轉(zhuǎn)動6.軸封軸封v 軸封的作用：使罐頂或罐底與軸與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。v形式：填料函軸封、機械軸封兩種。 1- 軸 2- 填料壓蓋 3- 壓緊螺栓 4- 填料箱體 5-銅環(huán) 6- 填料填料函軸封機械軸封機械軸封n又稱端面軸封，由彈

10、性元件、動環(huán)和靜環(huán)組成。n動環(huán)固定在軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動。靜環(huán)裝在殼體上。動環(huán)依靠彈簧的壓力與靜環(huán)緊密接觸，阻止流體泄漏。n由兩個環(huán)的端面互相密切貼合而達密封目的。依靠依靠三個密封點三個密封點達到完全密封：達到完全密封：1 1動環(huán)與靜環(huán)之間的密封動環(huán)與靜環(huán)之間的密封2 2靜環(huán)與壓蓋之間的密封靜環(huán)與壓蓋之間的密封3 3動環(huán)與軸之間的密封動環(huán)與軸之間的密封1- 彈簧 2- 動環(huán) 3- 硬質(zhì)合金 4- 靜環(huán) 5- O形密封圈 攪拌器軸功率的計算攪拌器軸功率的計算全檔板條件下，對于牛頓型流體通過因次分析，全檔板條件下，對于牛頓型流體通過因次分析，得：得：式中式中 P0：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（瓦）

11、：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（瓦） ：液體的密度（公斤：液體的密度（公斤/米米3） ：液體的粘度（牛：液體的粘度（牛.秒秒/米米2） D：渦輪直徑（米）：渦輪直徑（米） N：渦輪轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)：渦輪轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/秒）秒） K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及 流體的流態(tài)流體的流態(tài)mNDDNPK)(2530 1.單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計算單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計算是一個無因次數(shù)，可定義為是一個無因次數(shù)，可定義為功率準數(shù)功率準數(shù)NP。該準數(shù)表征著機械。該準數(shù)表征著機械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌攪拌所施與單

12、位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。液體的慣性之比。530DNPVmaVPPN/0單位體積液體的慣性力單位體積液體所受外力式中式中 ：渦輪線速度：渦輪線速度 a：加速度：加速度 V：液體體積：液體體積 m：液體質(zhì)量：液體質(zhì)量 v 是一個無因次數(shù)，稱為是一個無因次數(shù)，稱為 功率準數(shù)功率準數(shù) NP 。v 是一個無因次數(shù)，稱為是一個無因次數(shù)，稱為 攪拌雷諾數(shù)攪拌雷諾數(shù) ReMv NP ReM 的關(guān)系：實測找出規(guī)律，即經(jīng)驗系數(shù)的關(guān)系：實測找出規(guī)律，即經(jīng)驗系數(shù)K，m 當當ReM10時，液體為層流狀態(tài)，時，液體為層流狀態(tài)，m=-1； 當當ReM104時，液體為湍流狀態(tài)，時，液體為湍流狀態(tài)

13、， m=0；多數(shù)發(fā)酵罐攪拌器在此范圍，故多數(shù)發(fā)酵罐攪拌器在此范圍，故Np=常數(shù)常數(shù)K，查圖得查圖得Np 。530DNPNd2mNddNPK)(2530vReM104，達到充分湍流之后，達到充分湍流之后 P0=NPD5N3 2，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算v 使用多個渦輪時，兩者間的距離使用多個渦輪時，兩者間的距離S， 對非牛頓型流體可取為對非牛頓型流體可取為2D， 對牛頓型流體可取對牛頓型流體可取2.53.0D； 靜液面至上渦輪的距離可取靜液面至上渦輪的距離可取0.52D， 下渦輪至罐底的距離下渦輪至罐底的距離C可取可取0.51.0

14、D。v 符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗公式計算或?qū)崪y結(jié)果符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗公式計算或?qū)崪y結(jié)果都表明，都表明，多個渦輪輸出的功率近似等于單個渦輪的功多個渦輪輸出的功率近似等于單個渦輪的功率乘以渦輪的個數(shù)。率乘以渦輪的個數(shù)。v邁凱爾的修正關(guān)系式邁凱爾的修正關(guān)系式339.010)(25.208.0320QNDPgP3，通氣液體機械攪拌功率的計算，通氣液體機械攪拌功率的計算計算舉例計算舉例v 某細菌醪發(fā)酵罐某細菌醪發(fā)酵罐 罐直徑罐直徑T1.8(米米) 圓盤六彎葉渦輪直徑圓盤六彎葉渦輪直徑D0.60米，一只渦輪米，一只渦輪 罐內(nèi)裝四塊標準擋板罐內(nèi)裝四塊標準擋板 攪拌器轉(zhuǎn)速攪拌器轉(zhuǎn)速N168轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)

15、分 通氣量通氣量Q1.42米米3分分(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量) 罐壓罐壓P1.5絕對大氣壓絕對大氣壓 醪液粘度醪液粘度1.9610-3牛牛秒米秒米2 醪液密度醪液密度1020公斤米公斤米3v 要求計算要求計算Pg(1)計算計算ReMReM=5.25 104(2)由由NP ReM查查NP ， NP =4.7(3)計算計算P0 P0=NPD5N3= 8.07（千瓦）（千瓦）(4)計算計算Pg)(55.610)(25.2339.008.0320千瓦QNDPgP7 換熱裝置（1）作用：實消時預熱和冷卻，發(fā)酵過程中的冷卻和加熱。（2）型式：夾套、豎式蛇管、列管 夾套：5m3以下的罐

16、子采用，冷卻水流速低，傳熱系數(shù)小，換熱效果差。但能減少罐內(nèi)附件，減少死角。 冷卻蛇管：罐內(nèi)裝4-6組，水流速度快，但管徑小，流量小，適用于冷卻水溫度低的地區(qū)。 冷卻列管：罐內(nèi)裝4-6組，管徑大，耗水量大，降溫快，適用于冷卻水溫度高的地區(qū)。冷卻面積的計算冷卻面積的計算 傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值或計算傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值或計算 夾套夾套 K 為為4.187*（150-250）kJ/m2 h K 蛇管蛇管 K 為為4.187*（300-450）kJ/m2 h KT、t1、t2 分別為醪溫、冷卻水進出口溫度分別為醪溫、冷卻水進出口溫度12ttcQWP總vWS總Q總每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時，1h的發(fā)熱量與醪液總體

17、積的乘積 cp冷卻水的比熱容t2冷卻水終溫，t2=27t1冷卻水初溫，t1=20W冷卻水體積流量 V冷卻水流速785. 0總總Sd25罐體的尺寸比例（重點）罐體的尺寸比例（重點）p通用發(fā)酵罐通用發(fā)酵罐 通常取值通常取值 系數(shù)范圍系數(shù)范圍攪拌器直徑 d =1/3D 1/21/3罐筒身高 H0 =2 D 1.73擋板寬度 B =0.1D 1/81/12攪拌器間距 S=2d 1.52.5下攪拌器距底間距 C= d 0.81.0擋板與罐壁的距離 （1/5-1/8）BHL：裝料的液面高度。ha ：封頭凸出部分的高度，標準橢圓封頭有ha 0.25D。Hb：封頭直邊高度，據(jù)壁厚一般取25、 40、 50mm

18、。機械攪拌通風發(fā)酵罐的優(yōu)缺點機械攪拌通風發(fā)酵罐的優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點: :操作彈性大，操作彈性大，pHpH值和溫度易于控值和溫度易于控制；有較規(guī)范的工業(yè)放大方法；適合制；有較規(guī)范的工業(yè)放大方法；適合連續(xù)培養(yǎng)。連續(xù)培養(yǎng)。缺點缺點: :驅(qū)動功率大；內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，難驅(qū)動功率大；內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，難于徹底洗凈于徹底洗凈, ,易造成污染；在絲狀菌的易造成污染；在絲狀菌的培養(yǎng)中由于攪拌器的剪切作用，細胞培養(yǎng)中由于攪拌器的剪切作用，細胞易損傷易損傷2.2 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐定子的作用：將氣體與液體混勻，甩出，將大氣泡打碎，促進溶氧。轉(zhuǎn)子的作用：將轉(zhuǎn)子內(nèi)的液體甩出，形成內(nèi)部真空，將氣體吸入。v 優(yōu)點優(yōu)點: 利用機

19、械攪拌的抽吸作用將空氣自吸入反應(yīng)器內(nèi)利用機械攪拌的抽吸作用將空氣自吸入反應(yīng)器內(nèi),達到既通風有攪拌的目的，從而省去了壓縮機。達到既通風有攪拌的目的，從而省去了壓縮機。v 缺點缺點: 進罐空氣處于負壓，因而增加了染菌機會，且攪進罐空氣處于負壓，因而增加了染菌機會，且攪拌轉(zhuǎn)速甚高，有可能使菌絲被切斷，使正常的生長受到影響。拌轉(zhuǎn)速甚高，有可能使菌絲被切斷，使正常的生長受到影響。 2.3 氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐 優(yōu)點：優(yōu)點：能耗低，液體中的剪切作用小，結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，液體中的剪切作用小，結(jié)構(gòu)簡單，且由于省去了機械攪拌而不需機械密封，避免了且由于省去了機械攪拌而不需機械密封，避免了因機械密封不良造成的

20、雜菌污染。因機械密封不良造成的雜菌污染。 缺點：缺點：它不適用于高粘度或含大量固體的培養(yǎng)液。它不適用于高粘度或含大量固體的培養(yǎng)液。 1 1、實驗室研究的目的：、實驗室研究的目的：v菌種保藏菌種保藏v菌種在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)和繁殖的條件菌種在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)和繁殖的條件v研究培養(yǎng)基最適組分研究培養(yǎng)基最適組分v實驗室規(guī)模的培養(yǎng)技術(shù)實驗室規(guī)模的培養(yǎng)技術(shù)（三）實驗室研究和統(tǒng)計學方法（三）實驗室研究和統(tǒng)計學方法2 2、研究的步驟、研究的步驟v先確定培養(yǎng)基組分v通氣強度v影響代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素v搖瓶實驗：提供基本信息和初步發(fā)酵工藝數(shù)據(jù)三三. 實驗室研究和統(tǒng)計學方實驗室研究和統(tǒng)計學方法法3、統(tǒng)計學方法一般

21、實驗正交試驗均勻?qū)嶒烅憫?yīng)面實驗10.2 10.2 搖瓶培養(yǎng)與罐培養(yǎng)的差異和發(fā)酵規(guī)模改變的影響搖瓶培養(yǎng)與罐培養(yǎng)的差異和發(fā)酵規(guī)模改變的影響一、搖瓶和罐培養(yǎng)的差異一、搖瓶和罐培養(yǎng)的差異1. 1. 體積氧傳遞系數(shù)（體積氧傳遞系數(shù)（K KL La a）和溶解氧的差異和溶解氧的差異2. CO2. CO2 2濃度的差異濃度的差異3. 3. 菌絲受機械損傷的差異菌絲受機械損傷的差異除此之外，還有哪些差異除此之外，還有哪些差異? ?消毒方式、接種方式、通氣方式、蒸發(fā)量、消毒方式、接種方式、通氣方式、蒸發(fā)量、攪拌方式、攪拌方式、pHpH控制、溫度控制、檢測手段控制、溫度控制、檢測手段1增加搖瓶機的增加搖瓶機的轉(zhuǎn)速

22、轉(zhuǎn)速2減少培養(yǎng)基的減少培養(yǎng)基的裝量裝量3直接向搖瓶中直接向搖瓶中通入無菌空氣通入無菌空氣或氧氣等措施或氧氣等措施4可在搖瓶中加可在搖瓶中加入玻璃珠來模入玻璃珠來模擬發(fā)酵罐的機擬發(fā)酵罐的機械攪拌來研究械攪拌來研究因攪拌引起的因攪拌引起的差異差異二、二、 發(fā)酵罐規(guī)模改變的影響發(fā)酵罐規(guī)模改變的影響幾何相似、不同規(guī)模的發(fā)酵罐對比，幾何相似、不同規(guī)模的發(fā)酵罐對比，改變的主要因素有：改變的主要因素有： 菌體繁殖代數(shù)菌體繁殖代數(shù)種子的形成種子的形成培養(yǎng)基的滅菌培養(yǎng)基的滅菌通氣和攪拌通氣和攪拌熱傳遞熱傳遞v 菌體繁殖代數(shù)的差異菌體繁殖代數(shù)的差異NNg g=1.44(lnV+lnx-lnX=1.44(lnV+l

23、nx-lnX0 0) )Ng：菌體繁殖代數(shù)V：發(fā)酵罐體積 m3x：菌體濃度 kg/m3X0：總菌體量 kg2. 2. 培養(yǎng)基滅菌的差異培養(yǎng)基滅菌的差異分批滅菌：預熱期、維持期、冷卻期分批滅菌：預熱期、維持期、冷卻期培養(yǎng)基體積越大，預熱期和冷卻期越長培養(yǎng)基體積越大，預熱期和冷卻期越長對培養(yǎng)基破壞越嚴重對培養(yǎng)基破壞越嚴重3. 3. 通氣與攪拌的差異通氣與攪拌的差異4. 4. 熱傳遞的差異熱傳遞的差異5. 5. 種子形成的差異種子形成的差異vv發(fā)酵放大過程中，菌種質(zhì)量和發(fā)酵放大過程中，菌種質(zhì)量和其它發(fā)酵工藝也會改變其它發(fā)酵工藝也會改變10.3 發(fā)酵規(guī)模的縮小和放大發(fā)酵規(guī)模的縮小和放大一、概述一、概述

24、縮小（縮?。╯cale down）：大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)條件作為中）：大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)條件作為中小型實驗條件小型實驗條件放大（放大（scale up）：實驗室和中試車間結(jié)果應(yīng)用到大）：實驗室和中試車間結(jié)果應(yīng)用到大規(guī)模發(fā)酵工業(yè)中規(guī)模發(fā)酵工業(yè)中二二. 放大或縮小的關(guān)鍵因素放大或縮小的關(guān)鍵因素小設(shè)備、大設(shè)備的環(huán)境條件分析（盡量一致）：小設(shè)備、大設(shè)備的環(huán)境條件分析（盡量一致）： 化學因素：基質(zhì)、前體濃度等，人為控制可化學因素：基質(zhì)、前體濃度等，人為控制可保持恒定；保持恒定； 物理因素：溫度、菌濃、粘度、壓力、功率物理因素：溫度、菌濃、粘度、壓力、功率消耗、剪切力等。消耗、剪切力等。有差異有差異第一階段 實驗室

25、規(guī)模，進行菌種的篩選和培養(yǎng)基的研究三三. 放大的過程放大的過程第二階段 中試工廠規(guī)模，確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件第三階段 工廠大規(guī)模生產(chǎn)四、生物反應(yīng)器的放大的原理與準則四、生物反應(yīng)器的放大的原理與準則v生物反應(yīng)器的放大的原理 相似原理相似原理 即實驗反應(yīng)系統(tǒng)和放大反應(yīng)系統(tǒng)的生物化學反應(yīng)過即實驗反應(yīng)系統(tǒng)和放大反應(yīng)系統(tǒng)的生物化學反應(yīng)過程、流體流動與動量傳遞、熱量和質(zhì)量傳遞過程，程、流體流動與動量傳遞、熱量和質(zhì)量傳遞過程，能用相同的微分方程來描述，并具有相同的特征，能用相同的微分方程來描述，并具有相同的特征，則兩個系統(tǒng)具有相同的行為方式。則兩個系統(tǒng)具有相同的行為方式。v理想反應(yīng)器放大應(yīng)達到的相似條件

26、：理想反應(yīng)器放大應(yīng)達到的相似條件：1、幾何相似性、幾何相似性2、流體力學相似性、流體力學相似性3、熱力學相似性、熱力學相似性4、質(zhì)量（濃度）相似性、質(zhì)量（濃度）相似性5、生物化學相似性、生物化學相似性 經(jīng)驗放大法經(jīng)驗放大法 縮小縮小- -放大法放大法 因次分析法因次分析法 數(shù)學模型法數(shù)學模型法 五、生物反應(yīng)器的放大方法五、生物反應(yīng)器的放大方法數(shù)學模擬放大法進行發(fā)酵罐的放大數(shù)學模擬放大法進行發(fā)酵罐的放大基礎(chǔ)實驗基礎(chǔ)實驗測定值測定值過程模擬過程模擬用計算機用計算機 作作方案研究方案研究實驗參數(shù)范實驗參數(shù)范圍的制定圍的制定小試小試中試中試基礎(chǔ)模型基礎(chǔ)模型的修正的修正模型放模型放大實驗大實驗用計算機作

27、用計算機作設(shè)計計算設(shè)計計算過程的基過程的基本設(shè)計本設(shè)計計算結(jié)果計算結(jié)果與實驗結(jié)與實驗結(jié)果的比較果的比較六、通氣發(fā)酵罐的設(shè)計六、通氣發(fā)酵罐的設(shè)計-經(jīng)驗放大法經(jīng)驗放大法一、幾何相似放大一、幾何相似放大 按反應(yīng)器的各個部件的幾何尺寸比例進行放大。放大倍數(shù)實際上就是反應(yīng)器的增加倍數(shù)。1212HHDD常數(shù)32211VDmVD1132HmH1132DmD二、恒定等體積攪拌功率放大二、恒定等體積攪拌功率放大 v這種方法適用對于以溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的生物發(fā)酵，粘度較高的非牛頓型流體或高細胞密度的培養(yǎng)。 v 對于不通氣時的機械攪拌生物反應(yīng)器，軸功率計算對于不通氣時的機械攪拌生物反應(yīng)器，軸功率計算 ,353iL

28、iPnD VD()213212DnnD()32211DPPD對于通氣式機械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液對于通氣式機械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大 .()()21G0 750 081212GQDnnDQ.()()2211G2 770 242gg1GQDPPDQ0.01143三、恒定體積溶氧系數(shù)放大三、恒定體積溶氧系數(shù)放大v 這種方法適用于牛頓性流體、高耗氧發(fā)酵（細菌發(fā)酵、酵這種方法適用于牛頓性流體、高耗氧發(fā)酵（細菌發(fā)酵、酵母發(fā)酵）發(fā)酵過程的反應(yīng)器的放大。母發(fā)酵）發(fā)酵過程的反應(yīng)器的放大。(1)(1)以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為

29、放大基準以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為放大基準v Kd=(2.36+3.30m) (Pg/V)0.56 Vs0.7 N0.7 10-9m-m-攪拌渦輪的個數(shù)攪拌渦輪的個數(shù)v KLa(Pg/V) 0 . 56Vs0.7N0.7P0 = Np N3D5 V = /4D2 H Qg= /4D2Vs 所以 Pg/V (N3D5)2 ND3/(D2Vs)0.08 0.39/(D2H) 得 Pg/V N2.73D2.01/Vs0.03vKLa N2.23 Vs0.68 D1.13v按 (KLa)2 =(KLa)1 原則vN2 = N1 Vs1/(Vs)20.30 (D1/D2)0.51v(pg)2 =(pg)1Vs

30、1/(Vs)20.849(D1/D2)0.993/2LLgLHVQaK1)()()()()()(3211322212LLgLLgLLHVQHVQaKaK32232112)()()()(LLLgLgHHVQVQ(2)(2)以另一文獻報導關(guān)聯(lián)式為放大基準以另一文獻報導關(guān)聯(lián)式為放大基準Qg-操作狀態(tài)下的通氣流量VL-發(fā)酵液體積HL-液柱高度2DVQSg3DV DHL 311212)(DDVVSS又PDVVMPDVVVMVLS)()(23221121221122112212)()()(1DDPPVVDDPPDPVDPVVVMVVMSSSS P為操作狀態(tài)下為操作狀態(tài)下通入的空氣的壓力通入的空氣的壓力四、

31、恒定攪拌葉尖線端速度放大四、恒定攪拌葉尖線端速度放大v 適用于生物細胞受攪拌剪切影響較明顯的發(fā)酵過程的放大，例如絲狀菌的發(fā)酵。v 攪拌葉尖線端速度（Dn）是決定攪拌剪切強度的關(guān)鍵。v 槳葉尖端線速度：1 12 2nD nD2112nDnD五、恒定混合時間放大五、恒定混合時間放大v混合時間是指在反應(yīng)器中加入物料，到它們被混合均勻時所需的時間。在小反應(yīng)器中，比較容易混合均勻，而在大反應(yīng)器中，則較為困難。 ftft混合時間函數(shù)；混合時間函數(shù)； t tM M混合時間，混合時間，s s； nn攪拌轉(zhuǎn)速，攪拌轉(zhuǎn)速，r/sr/s； DiDi攪拌葉輪直徑，攪拌葉輪直徑，m m； DD發(fā)酵反應(yīng)器直徑，發(fā)酵反應(yīng)器

32、直徑，m m； H HL L罐內(nèi)液體深度，罐內(nèi)液體深度，m m； gg重力加速度常數(shù)，重力加速度常數(shù)，9.81m/s9.81m/s2 2。2/321/61/21/23/2MiitLtnDgDfHD常數(shù)混合時間函數(shù)混合時間函數(shù) ft ft與與 ReRe關(guān)系關(guān)系 以混合時間相等的準則進行放大以混合時間相等的準則進行放大v 對幾何相似的發(fā)酵罐，當對幾何相似的發(fā)酵罐，當ReRe10105 5時：時：v 當應(yīng)用（當應(yīng)用（P P0 0/V/VL L）1 1=（P P0 0V VL L）2 2原則放大時，原則放大時，n n2 2n n1 1（DiDi1 1DiDi2 2）2/32/3： 1/64122412

33、1iMMin Dttn D11/182211iMMiDttD六、空氣流量放大六、空氣流量放大PDVVMPDVVVMVLS)()(2211212)()(PPDDVVSS1)()(122222111212LLSSVVDPDPVVMVVMVV21122121221212DDPPVVDDPPVVMVVMLL3/2LLgLaHVQK1)()()()()()(3211322212LLgLLgLaLaHVQHVQKK32232112)()()()(LLLgLgHHVQVQ2DVQSg3DV DHL 311212)(DDVVSS又PDVVMPDVVVMVLS)()(23221121221122112212)(

34、)()(1DDPPVVDDPPDPVDPVVVMVVMSSSS 歐洲發(fā)酵工業(yè)中的放大準則歐洲發(fā)酵工業(yè)中的放大準則工業(yè)應(yīng)用的比例（工業(yè)應(yīng)用的比例（%）所采用的經(jīng)驗放大基準所采用的經(jīng)驗放大基準30單位培養(yǎng)液體積消耗功率相等單位培養(yǎng)液體積消耗功率相等30kLa恒定恒定20攪拌槳葉端速度恒定攪拌槳葉端速度恒定若若V2/V1=125，D2=5D1，P2=1.5P1，則用上述三種不同，則用上述三種不同方法計算放大后的通氣量結(jié)果如下表。方法計算放大后的通氣量結(jié)果如下表。放大方法放大方法VVM值值 Vs值值放大前放大前放大后放大后放大前放大前放大后放大后VVM相同相同1113.33 Vs相同相同10.311

35、kLa相同相同10.51311.71機械攪拌罐放大過程機械攪拌罐放大過程測定試驗罐的測定試驗罐的Qg、n、發(fā)酵速率及幾何尺寸、發(fā)酵速率及幾何尺寸測定發(fā)酵液的特性：測定發(fā)酵液的特性：r、m計算試驗罐的計算試驗罐的vvm、Qg/(nd3)、pnd及及Re等等預算預算NP、P、Pg和和kLa等等根據(jù)生產(chǎn)量和產(chǎn)率選擇發(fā)酵罐的體積和個數(shù)根據(jù)生產(chǎn)量和產(chǎn)率選擇發(fā)酵罐的體積和個數(shù)按幾何相似原則計算放大罐的尺寸按幾何相似原則計算放大罐的尺寸確定放大準則，通常對高耗氧生物反應(yīng)用確定放大準則，通常對高耗氧生物反應(yīng)用kLa相等原則相等原則計算計算Q和和N根據(jù)根據(jù)vvm相等原則、相等原則、Q/(nd3)相相等原則、等原

36、則、us相等原則確定相等原則確定Q根據(jù)根據(jù)Pg與與kLa關(guān)系計算關(guān)系計算n估算攪拌功率估算攪拌功率例：例：機械攪拌罐經(jīng)驗放大法機械攪拌罐經(jīng)驗放大法v 某廠在某廠在100L機械攪拌罐中進行淀粉酶生產(chǎn)試驗，所用的菌機械攪拌罐中進行淀粉酶生產(chǎn)試驗，所用的菌種為枯草桿菌，獲得良好的發(fā)酵效果，擬放大至種為枯草桿菌，獲得良好的發(fā)酵效果，擬放大至20 m3 生生產(chǎn)罐，粘度產(chǎn)罐，粘度 =2.2510-3PaS，密度，密度L=1020kg/m3。試。試驗罐的尺寸為驗罐的尺寸為:直徑直徑D=375mm，攪拌葉輪，攪拌葉輪d=125mm (D/d=3.0)，高徑比，高徑比H/D2.4，液深，液深HL=1.5D，4塊

37、檔板的塊檔板的W/D=0.1，裝液量為，裝液量為60L，通氣速率，通氣速率1.0vvm，使用，使用2檔圓盤檔圓盤六直角葉渦輪攪拌器，轉(zhuǎn)速六直角葉渦輪攪拌器，轉(zhuǎn)速n=350r/min。通過實驗，證明。通過實驗，證明此發(fā)酵為高耗氧的生物反應(yīng)，故可按體積溶氧系數(shù)相等之此發(fā)酵為高耗氧的生物反應(yīng)，故可按體積溶氧系數(shù)相等之原則進行放大。原則進行放大。筒身高度筒身高度H罐徑罐徑D檔板寬度檔板寬度W液位高度液位高度HL攪拌器直徑攪拌器直徑d兩攪拌器間距兩攪拌器間距s下攪拌器距底部的間距下攪拌器距底部的間距B(1)依據(jù)幾何相似的原則計算發(fā)酵罐尺寸依據(jù)幾何相似的原則計算發(fā)酵罐尺寸試驗罐試驗罐 D=375mm，d=

38、125mm1 . 05 . 14 . 23DWDHDHdDLL(2)按幾何相似原則確定按幾何相似原則確定20m3生產(chǎn)罐的尺寸：生產(chǎn)罐的尺寸：DDL51460202.%V據(jù)題設(shè)幾何尺寸比例，放大罐與小罐相同，則有據(jù)題設(shè)幾何尺寸比例，放大罐與小罐相同，則有H/D2.4, D/d=3.0, HL/D=1.5, 而有效裝料體積仍取而有效裝料體積仍取60%，由此可得：，由此可得：可得可得D=2.17m, H=2.4D=5.20m, d=D/3=0.72m, HL=1.5D=3.26m這是按幾何相似原則計算求得的這是按幾何相似原則計算求得的20m3生產(chǎn)罐的尺寸。仍采生產(chǎn)罐的尺寸。仍采用兩組圓盤六直葉渦輪攪

39、拌器。用兩組圓盤六直葉渦輪攪拌器。以體積溶氧系數(shù)相等為基準以體積溶氧系數(shù)相等為基準v 以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為放大基準以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為放大基準 Kd=(2.36+3.30m) (Pg/V)0.56 Vs0.7 N0.7 10-93/2LLgLHVQaKv以以下關(guān)聯(lián)式為放大基準以以下關(guān)聯(lián)式為放大基準以體積溶氧系數(shù)相等為基準以體積溶氧系數(shù)相等為基準(3)計算試驗罐的計算試驗罐的kLa先求攪拌雷諾準數(shù)先求攪拌雷諾準數(shù)ReM432210134102521020125060350.).)(/(ReMLnd由功率準數(shù)由功率準數(shù)530PNdnPNP視攪拌強度及葉輪形式而定視攪拌強度及葉輪形式而定. 當發(fā)酵系

40、統(tǒng)充分湍流時當發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流時, 即即ReM=104時時, 對圓盤六直葉渦輪對圓盤六直葉渦輪, NP=6.0;對圓盤六彎葉渦對圓盤六彎葉渦輪輪, NP=4.7;而對圓盤六箭葉渦輪而對圓盤六箭葉渦輪, NP=3.7，由于此處，由于此處ReM104,為圓盤六直葉渦輪，因此為圓盤六直葉渦輪，因此NP取為取為6.0以體積溶氧系數(shù)相等為基準以體積溶氧系數(shù)相等為基準所以所以2檔葉輪的不通氣時的攪拌功率為檔葉輪的不通氣時的攪拌功率為 ：kW 0.074W.)(.P174125010206035006225353dnNLP相應(yīng)地，通氣攪拌功率為相應(yīng)地，通氣攪拌功率為 ： (下式中下式中Qg的單位是的單位是m

41、l/min)kW 0.0395).(.)(.P.g39008032339008032360000512350074101025210252gQndP從而可以算出體積溶氧系數(shù)從而可以算出體積溶氧系數(shù) ：6-.0.56.L107.01 .)0.060.03952)(3.3(2.36 )(.(ak9707097070560103503541033362nuVPmsLg其中空截面氣速為其中空截面氣速為 ：cm/min 3 .54)5 .374/(100060u2s(3)決定大罐的通氣流率決定大罐的通氣流率Qg:按幾何相似原則放大設(shè)備，按幾何相似原則放大設(shè)備，放大倍數(shù)越高，其單位體積液體占有的發(fā)酵罐橫截

42、面越放大倍數(shù)越高，其單位體積液體占有的發(fā)酵罐橫截面越小，若維持通氣強度小，若維持通氣強度vvm不變，則放大后空截面氣速則不變，則放大后空截面氣速則隨罐容增大而迅速提高。因：隨罐容增大而迅速提高。因：33514DDL.V通氣量通氣量Qg在維持通氣強度在維持通氣強度vvm不變時，就有不變時，就有QgVLD3而空截面氣速為：而空截面氣速為：DDQgs24u若按通氣強度不變，即取大罐的通氣速率為若按通氣強度不變，即取大罐的通氣速率為1.0vvm，可算出，可算出通氣量及相應(yīng)的空截面氣速為：通氣量及相應(yīng)的空截面氣速為：cm/min 324m/min ./.u/minm .%s324341721241201

43、602022DQQg對比小罐的空截面氣速對比小罐的空截面氣速(us=54.3cm/min),可見，若按通氣強可見，若按通氣強度不變，則大罐的通氣截面氣速約相當于小罐的度不變，則大罐的通氣截面氣速約相當于小罐的6倍。經(jīng)倍。經(jīng)驗表明，這種氣速太高。故可折中取大罐的驗表明，這種氣速太高。故可折中取大罐的us=150 cm/min,由此可計算出大罐的通氣速率為：由此可計算出大罐的通氣速率為：)/minm(.)/sm(.)/(.u3355509250100601501724422sgDQ通氣強度為：通氣強度為：5.55/12=0.462 vvm(4)按按kLa相等原則計算放大罐的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率相等原

44、則計算放大罐的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率705608970705609707056010101501296810233362.7.434 )(. )(.(nPnPnuVPakggSLgL7.01x10-6=7.434x10-8Pg0.56n0.7即：即： Pg=3356n-1.25又根據(jù)又根據(jù)Pg的又一表達式：的又一表達式：39. 008. 03203g)(1025. 2PgQndP即：即：39. 00.78039. 008. 06320339. 008. 03203g0.206P)1055. 5(72(1025. 2)(1025. 2PnnPQndPg比較兩個不同的比較兩個不同的Pg表達式可得：表達式可得：)kW( 1051. 2P1 . 250n由攪拌軸功率公式可計算得到：由攪拌軸功率公式可計算得到：)kW(1048. 5 72. 0)60/(10200 . 6P3653530nndnNP聯(lián)立上面二式可計算得到：聯(lián)立上面二式可計算得到：n=123 r/min P=10.2 kW Pg=8.19 kWPg=33