生物反应器的比拟放大

1、1 “发酵放大是一门艺术，而不是一门发酵放大是一门艺术，而不是一门 科学科学” A.E.Humphrey 2 Contents： 1 1、生物反应器比拟放大的概念生物反应器比拟放大的概念 2、生物反应器比拟放大的方法、生物反应器比拟放大的方法 3、生物反应器比拟放大需要考虑的因素、生物反应器比拟放大需要考虑的因素 4、小结、小结 3 l生物反应器的放大是指在反应器的生物反应器的放大是指在反应器的设计与操作设计与操作上，将上，将 小型反应器的小型反应器的最优反应结果最优反应结果转移至工业规模反应器中转移至工业规模反应器中 重现的过程。重现的过程。 l生物工程产品的研究开发的三个阶段：生物工程产品

2、的研究开发的三个阶段： （1 1）实验室阶段）实验室阶段 （2 2）中试）中试 （3 3）工厂化生产）工厂化生产 1.1 比拟放大的定义比拟放大的定义 1 1、生物反应器比拟放大的概念生物反应器比拟放大的概念 4 第一阶段第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究 5 第二阶段第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件 6 第三阶段第三阶段 工厂大规模生产工厂大规模生产 7 表表1 小型和大型生物反应器设计的不同点小型和大型生物反应器设计的不同点 项项 目目 实验用反应器实验用反应器生产用反应器生产

3、用反应器 功率消耗功率消耗不必考虑不必考虑需认真对待需认真对待 反应器内空间反应器内空间 控制检测装置占去一定控制检测装置占去一定 空间空间 无此影响无此影响 混合特性混合特性可不必考虑可不必考虑需认真对待需认真对待 换热系统换热系统较易解决较易解决较难解决较难解决 8 v核心问题：核心问题： 生物反应器中有三种重要的过程： （1）热力学过程， （2）微观动力学过程， （3）传递过程。 而核心问题是传递过程。因为规模的放大对 传递过程的影响最大。 v放大目的：放大目的： 维持中试所得到的最佳的细胞生长速率，产物的 生成速率。产品的质量高，成本低。必须使菌体在大 中小型反应器中所处的外界环境完全

4、或基本一致。 1.2 放大的核心问题和目的放大的核心问题和目的 9 1.3 比拟放大的准则比拟放大的准则 （1）恒定单位体积功率）恒定单位体积功率 由Pg/V恒定而确定搅拌转速。（Pg指通 气时的搅拌功率） 对黏度较高的非牛顿型流体或高细胞密 度培养，应用Pg/V恒定原则进行放大的效果 十分良好。 10 这个方法抓住了传氧这一关键因素，目前应 用很多。具体应用中要注意几个问题。 1.小试中要测得准确的kLa值，选择合适的计 算公式。 2.注意各计算kLa公式在放大中参数的变化及 适用范围。 3.按照计算P0/Pg选择通气比，计算V，从而 计算 kLa 。（P0指不通气时的搅拌功率） （2）恒定

5、传氧系数）恒定传氧系数(kLa) 11 剪切力与搅拌桨叶端的线速度成正 比，从断裂菌丝溢出核酸类物质的数 量与叶尖的线速度相关。在恒定体积 功率放大时一般维持nd不变（n为搅拌 桨转速、d为搅拌桨直径，一般搅拌叶 轮直径与罐直径之比为0.330.45） （3）恒定剪切力恒定叶端速度）恒定剪切力恒定叶端速度 12 （4）恒定混合时间（）恒定混合时间（ tM ） 混合时间（混合时间（ tM ）：）：把少许具有与搅拌反应器内 的液体相同物性的液体注入搅拌反应器内，两者达 到分子水平的均匀混合所需要的时间。 低黏度液体在小搅拌反应器内的混合时间很短。 反应器愈大，混合时间就愈长。实际上按等混合时 间放

6、大是很难做到的，因为要做到这一点，放大后 反应器的搅拌桨转速需要比小反应器搅拌桨转速提 高很多。但作为一个校对的指标，对某些体系确实 必要。 13 1.4 比拟放大一般流程比拟放大一般流程 生物反应器的比拟放大是为了到达预期生物反应器的比拟放大是为了到达预期 经济目标，因此要经济目标，因此要综合考虑，抓住关键的因综合考虑，抓住关键的因 数数。比拟放大的一般流程为：。比拟放大的一般流程为： （1） 几何相似几何相似放大确定放大的尺寸放大确定放大的尺寸； （2） 按按公式计算公式计算放大的其它参数放大的其它参数； （3） 根据具体情况进行根据具体情况进行适度调整适度调整。 14 理论放大法理论放大

7、法 建立反应系统的动量、质量和能量平衡方程，求解建立反应系统的动量、质量和能量平衡方程，求解 半理论放大法半理论放大法 对难于求解的动量横算方程简化对难于求解的动量横算方程简化 因次分析法因次分析法 将动量、质量、热量衡数以及有关的边界条件、初始条将动量、质量、热量衡数以及有关的边界条件、初始条 件以无因次形式写出用于放大过程。件以无因次形式写出用于放大过程。 （由于对事物的机理缺乏透彻的了解，难以建立精确模型。）（由于对事物的机理缺乏透彻的了解，难以建立精确模型。） 以以k kL La a或或K Kd d相等为基准放大相等为基准放大 经验放大经验放大 以以 P P0 0/V/VL L相等为基

8、准放大相等为基准放大 以搅拌叶尖线速度相等为基准放大以搅拌叶尖线速度相等为基准放大 以培养液溶氧浓度为基准放大以培养液溶氧浓度为基准放大 2、生物反应器比拟放大的方法、生物反应器比拟放大的方法 15 2.1 理论放大方法理论放大方法 l所谓理论放大法，就是所谓理论放大法，就是建立及求解反应系统的动量，建立及求解反应系统的动量， 质量和能量平衡方程质量和能量平衡方程。由于发酵过程的复杂，有关反。由于发酵过程的复杂，有关反 应的酶未全部明白，以及搅拌功率在传氧和剪切力之应的酶未全部明白，以及搅拌功率在传氧和剪切力之 间较难平衡，所以这种放大方法是十分复杂的，很难间较难平衡，所以这种放大方法是十分复

9、杂的，很难 在实际中应用，目前主要应用在最简单的系统（发酵在实际中应用，目前主要应用在最简单的系统（发酵 液为静止或流动的滞留系统如某些固定化生物反应器液为静止或流动的滞留系统如某些固定化生物反应器 的放大）。但此方法是以最系统，最科学的理论为依的放大）。但此方法是以最系统，最科学的理论为依 据的方法，还是具有重要指导意义的。据的方法，还是具有重要指导意义的。 16 l如对于常见的机械搅拌通气发酵罐，想要应用如对于常见的机械搅拌通气发酵罐，想要应用 理论放大方法就必须了解：理论放大方法就必须了解： 1.必须了解三维热传递方程，且边界条件十分复杂；必须了解三维热传递方程，且边界条件十分复杂； 2

10、.传递过程之间必须是偶联的，即从动量衡算方程求解传递过程之间必须是偶联的，即从动量衡算方程求解 的流动分量必须用于质量和热量平衡方程的求解；的流动分量必须用于质量和热量平衡方程的求解； 3.动量衡算往往假定反应系统为均相液体，但对通气生动量衡算往往假定反应系统为均相液体，但对通气生 物发酵，培养液中存在大量气泡较难分析。物发酵，培养液中存在大量气泡较难分析。 17 对于许多通气发酵生对于许多通气发酵生 产，其产物相对浓度受单产，其产物相对浓度受单 位体积发酵液搅拌功率或位体积发酵液搅拌功率或 体积容氧系数的影响，不体积容氧系数的影响，不 论细菌还是酵母其目的产论细菌还是酵母其目的产 物与物与P

11、/V或或Kla关系右如图，关系右如图， 通常反应器放大应选用曲通常反应器放大应选用曲 线近乎水平的范围。线近乎水平的范围。 18 局限性：局限性： l总之，对于发酵反应器的理论放大，主要问题总之，对于发酵反应器的理论放大，主要问题 是目前仍无法求解生物反应系统中的动量衡算是目前仍无法求解生物反应系统中的动量衡算 方程。所以，理论放大方法只能用于最简单的方程。所以，理论放大方法只能用于最简单的 系统，例如发酵液是静止的或流动属于滞留的系统，例如发酵液是静止的或流动属于滞留的 系统，如某些固定化生物反应器的放大，以便系统，如某些固定化生物反应器的放大，以便 建立简单的动量，质量和能量平衡方程。建立

12、简单的动量，质量和能量平衡方程。 19 2.2 半理论放大方法半理论放大方法 l由上可知，理论放大方法难于求解动量衡算方由上可知，理论放大方法难于求解动量衡算方 程。为解决此矛盾，可对动量方程进行简化，程。为解决此矛盾，可对动量方程进行简化， 对搅拌槽反应器或鼓泡塔，对搅拌槽反应器或鼓泡塔，只考虑液流主体的只考虑液流主体的 流动，而忽略局部流动，而忽略局部（如搅拌叶轮或罐壁附近）（如搅拌叶轮或罐壁附近） 的复杂流动的复杂流动。 20 简单液体在稳态条件下，质量衡算方简单液体在稳态条件下，质量衡算方 程为：程为： 21 局限性局限性 l半理论放大方法是生物反应器设计与放大最普半理论放大方法是生物

13、反应器设计与放大最普 遍的实验研究方法。但是，液流主体模型通常遍的实验研究方法。但是，液流主体模型通常 只能在小型实验规模的发酵反应器（只能在小型实验规模的发酵反应器（530L） 中获得，并非是在大规模的生产系统中得到的中获得，并非是在大规模的生产系统中得到的 真实结果，故使用此法进行放大有一定风险，真实结果，故使用此法进行放大有一定风险， 必须通过实际发酵过程进行检验校正。必须通过实际发酵过程进行检验校正。 22 2.3 因次分析放大法因次分析放大法 l所谓因次分析放大法就是在放大过程中，维持生物发所谓因次分析放大法就是在放大过程中，维持生物发 酵系统参数构成的无因次数群（称为酵系统参数构成

14、的无因次数群（称为准数准数）恒定不变，）恒定不变， 把反应系统的动量，质量，热量衡算以及有关的边界把反应系统的动量，质量，热量衡算以及有关的边界 条件，初始条件以无因次形式构建方程用于放大过程。条件，初始条件以无因次形式构建方程用于放大过程。 尽管因次分析放大法的应用有严格的限制，但此法还尽管因次分析放大法的应用有严格的限制，但此法还 是十分有用的。是十分有用的。 l对因次分析放大法，准数的合理构建是关键，生化过对因次分析放大法，准数的合理构建是关键，生化过 程常用参变量分为程常用参变量分为4大类：大类：(1)几何参数几何参数D,H,d（2）物）物 理化学参数理化学参数 ,(3)过程变量过程变

15、量N,P,V（4）气体常数）气体常数 g,R。另外准数需要经验和直觉的结合，参数不能选。另外准数需要经验和直觉的结合，参数不能选 太多若选用到了无关或影响甚微的参数，参数过多就太多若选用到了无关或影响甚微的参数，参数过多就 无法放大了，若缺了重要参数，系统就无法用数学模无法放大了，若缺了重要参数，系统就无法用数学模 型正确表达。故必须对系统进行分析，确定起主导作型正确表达。故必须对系统进行分析，确定起主导作 用的机理，忽略无关参数，这点很重要。用的机理，忽略无关参数，这点很重要。 23 生物反应器的因次分析放大过程生物反应器的因次分析放大过程 24 局限性局限性 l应用因次分析放大法进行反应器

16、放大，从原理应用因次分析放大法进行反应器放大，从原理 上讲，准数一经获得，进行生物反应器的放大上讲，准数一经获得，进行生物反应器的放大 就简单了，只要对小型实验室反应装置与大型就简单了，只要对小型实验室反应装置与大型 生产系统的同一准数取相等数值就可以了。但生产系统的同一准数取相等数值就可以了。但 实际上却并不那样简单，虽然均相系统的流动实际上却并不那样简单，虽然均相系统的流动 问题较易解决，但对于有传质和传热同时进行问题较易解决，但对于有传质和传热同时进行 的系统或非均质流动系统，问题就复杂了的系统或非均质流动系统，问题就复杂了。 25 2.4 经验放大法经验放大法 除上面介绍的除上面介绍的

17、3种生物反应器的放大方法种生物反应器的放大方法 之外，还有经验放大法，这也是最常用的放大之外，还有经验放大法，这也是最常用的放大 方法。根据不完全的调查结果，生物发酵工厂方法。根据不完全的调查结果，生物发酵工厂 中好氧生物发酵反应器应用的各种经验方法的中好氧生物发酵反应器应用的各种经验方法的 比例，如表比例，如表3所示所示。 26 表表2 通气发酵罐放大方法的比例通气发酵罐放大方法的比例 放大准则放大准则所占比例所占比例 维持p0/VL不变30 维持KLa不变30 维持搅拌器叶端线速度不变20 维持培养液氧浓度不变20 注：P0：发酵罐中不通气的搅拌功率，kw； VL：发酵罐中反应溶液的体积，

18、m3； kla：发酵罐中体积溶氧系数，1/s或1/h。 27 经验放大法的分类：经验放大法的分类： 以以k kL La a或或K Kd d相等为基准放大相等为基准放大 以以P P0 0/V/VL L相等为基准放大相等为基准放大 以搅拌叶尖线速度相等为基准放大以搅拌叶尖线速度相等为基准放大 以混合时间相等为基准放大以混合时间相等为基准放大 28 许多许多好氧发酵好氧发酵，特别是生物细胞浓度较高，特别是生物细胞浓度较高 时耗氧很快，故溶氧速率是否能满足生物细时耗氧很快，故溶氧速率是否能满足生物细 胞的代谢与生长就成为生物发酵生产的限制胞的代谢与生长就成为生物发酵生产的限制 因素。生物发酵的耗氧速率

19、可通过实验测定。因素。生物发酵的耗氧速率可通过实验测定。 实践证明，实践证明，高好氧发酵应用等高好氧发酵应用等kLa的原则的原则进进 行反应器放大通常可获得良好结果。行反应器放大通常可获得良好结果。 2.4.1 以以kLa为基准的比拟放大法为基准的比拟放大法 29 以以kLa为基准的比拟放大法为基准的比拟放大法适用条件：适用条件： 高浓度细胞培养；高浓度细胞培养； 消耗氧气的速度很快；消耗氧气的速度很快； 氧气的传递速率成为发酵关键因素。氧气的传递速率成为发酵关键因素。 30 在耗氧发酵过程中，培养液中的溶解度很低，生在耗氧发酵过程中，培养液中的溶解度很低，生 物反应很容易因反应器溶氧能力的限

20、制受到影响，以物反应很容易因反应器溶氧能力的限制受到影响，以 反应器反应器K KL La a的相同作为放大准则，可以收到较好的效果。的相同作为放大准则，可以收到较好的效果。 以以K KL La a值相同值相同 放大时，一放大时，一 定要选一个定要选一个 合适的合适的K KL La a值，值， 可根据微生可根据微生 物发酵产物物发酵产物 的产率与的产率与K KL La a 大小的关系大小的关系 31 2.4.2 以以Po/VL相等为准则的比拟放大相等为准则的比拟放大 l这种方法适用对于这种方法适用对于以溶氧速率以溶氧速率控制发酵反应控制发酵反应 的生物发酵，粘度较高的的生物发酵，粘度较高的非牛顿

21、型流体或高非牛顿型流体或高 细胞密度细胞密度的培养的培养 l P P0 0/V/VL L 常数 常数 1. 1. 对于不通气的搅拌反应器对于不通气的搅拌反应器 2. 2. 对于通气搅拌反应器，可取单位体积液对于通气搅拌反应器，可取单位体积液 体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大 32 对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位 体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放 大，即：大，即： , 353 iLi PnD VD () 2 1 3 21 2 D nn D ()3 2 21

22、 1 D PP D 对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体 积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大 . ()() 2 1 G 0 750 08 1 21 2G Q D nn DQ . ()() 2 21 1 G 2 770 24 2 gg 1G Q D PP DQ 对于不通气时的机械搅拌生物反应器，轴功率对于不通气时的机械搅拌生物反应器，轴功率 计算：计算： 33 2.4.3 以搅拌叶尖线速度相等为基准放大以搅拌叶尖线速度相等为基准放大 l实践表明，应用丝状菌进行发酵，因这类微生实践表明，应用丝状菌进行发酵

23、，因这类微生 物细胞受搅拌剪切的影响较明显，而物细胞受搅拌剪切的影响较明显，而搅拌叶尖搅拌叶尖 线速度是决定搅拌剪切强度的关键。若仅仅维线速度是决定搅拌剪切强度的关键。若仅仅维 持持kLa相等而不考虑搅拌剪切的影响，可能导相等而不考虑搅拌剪切的影响，可能导 致放大设计失误。致放大设计失误。 l在在Po/VL相等的条件下，相等的条件下，Di/D越小（即转速越越小（即转速越 高），搅拌剪切越强烈，这有利于菌丝团的分高），搅拌剪切越强烈，这有利于菌丝团的分 散和气泡的破裂细碎，从而有利于溶氧传质和散和气泡的破裂细碎，从而有利于溶氧传质和 胞内代谢产物的向外扩散，因此通常有利于代胞内代谢产物的向外扩散

24、，因此通常有利于代 谢产物抑制发酵的生物反应系统。谢产物抑制发酵的生物反应系统。 34 例如例如： l在使用放线菌发在使用放线菌发 酵生产新生霉素酵生产新生霉素 时，在维持时，在维持Po/VL 不变的条件下，不变的条件下， 使用较小的搅拌使用较小的搅拌 叶轮可获得较高叶轮可获得较高 产量的抗生素，产量的抗生素， 如图所示。如图所示。 35 总结：总结： l 所以，对于此类发酵系统，搅拌叶轮尖端所以，对于此类发酵系统，搅拌叶轮尖端 线速度也是发酵反应器放大设计的重要因素，线速度也是发酵反应器放大设计的重要因素， 可作为放大基准。但必须明确，若搅拌叶轮直可作为放大基准。但必须明确，若搅拌叶轮直 径

25、（径（Di/D）过小，则搅拌泵送能力下降，混合）过小，则搅拌泵送能力下降，混合 时间加长，这会影响反应溶液混合的均匀性。时间加长，这会影响反应溶液混合的均匀性。 通常，对大多数的生物发酵，搅拌叶尖线速度通常，对大多数的生物发酵，搅拌叶尖线速度 宜取宜取2.55m/s；对于球状或短杆状微生物可；对于球状或短杆状微生物可 适当增大，但最高也不宜超过适当增大，但最高也不宜超过10m/s。 36 2.4.4 以混合时间相等为基准放大以混合时间相等为基准放大 （1）混合时间：发酵罐内放入某种指示剂使发）混合时间：发酵罐内放入某种指示剂使发 酵液和指示剂达到分子水平均匀混合所需要的酵液和指示剂达到分子水平

26、均匀混合所需要的 时间。时间。 （2）对于不同反应器型式和反应介质，其混合）对于不同反应器型式和反应介质，其混合 时间有不同的关联式，进行设计和放大时应作时间有不同的关联式，进行设计和放大时应作 出合理的选择。出合理的选择。 （3）不适用于大型发酵罐，因为如果按此原则）不适用于大型发酵罐，因为如果按此原则 Di/D（搅拌叶轮）（搅拌叶轮） 会变大，即转速变小。这会变大，即转速变小。这 样溶氧效率低而且剪切力变大，但可作为一个样溶氧效率低而且剪切力变大，但可作为一个 标准进行校准。标准进行校准。 37 (1)(1)几何相似放大几何相似放大 按反应器的各个部件的几何尺寸比例进行放大。放按反应器的各

27、个部件的几何尺寸比例进行放大。放 大倍数实际上就是反应器的增加倍数。大倍数实际上就是反应器的增加倍数。 12 12 HH DD 常数 3 22 11 VD m VD 1 1 3 2 H m H 1 1 3 2 D m D 2.4.5 其他放大方法其他放大方法 38 （2） 通风量的放大通风量的放大 按单位体积液体通风量按单位体积液体通风量 Q/V 相等；相等； 大型反应器液柱高，空气在液体中所走的路程和 气液接触时间均长于小型反应器。因此大型反应器的 有较高的空气利用率，放大时大型反应器的 Q/V 比小 型设备的 Q/V 小。 按通风截面空气线速度按通风截面空气线速度 Vs相等；相等； 放大反

28、应器空截面的空气线速度 Vs 的大小表征 了液体的通风强度。对于空气利用率较好的反应器， 大罐的 Vs 应适当大于小罐的。 按通风准数相等放大；按通风准数相等放大； 按体积溶氧系数相等放大。按体积溶氧系数相等放大。 39 （3）搅拌功率放大）搅拌功率放大 l 搅拌功率是影响溶氧最主要的因素，因而搅拌功率是影响溶氧最主要的因素，因而 在机械搅拌生化反应器中，搅拌功率的放大是在机械搅拌生化反应器中，搅拌功率的放大是 整个放大中最主要的内容。整个放大中最主要的内容。 l 对于一定性质的液体，由于搅拌功率的对于一定性质的液体，由于搅拌功率的 大小取决于搅拌转速大小取决于搅拌转速 n 和搅拌器直径和搅拌

29、器直径 Di ，因，因 此搅拌功率的放大实际上是此搅拌功率的放大实际上是 n 和和 Di 的放大。的放大。 若集合相似，则若集合相似，则 Di 一定，放大问题就只是选一定，放大问题就只是选 择搅拌转速择搅拌转速 n 的问题。的问题。 40 表表3 放大方法的比较放大方法的比较 方方 法法放大后的搅拌转速放大后的搅拌转速/（r/min） 等体积功率（非通气）等体积功率（非通气）107 等体积功率（通气）等体积功率（通气）85 等传质系数等传质系数79 等叶端速度等叶端速度50 等混合时间等混合时间100 v 按照上述不同放大准则所得出的结论，并以按照上述不同放大准则所得出的结论，并以搅拌转速搅拌

30、转速进行比较。进行比较。 41 总结：总结： l 从表从表3可以看出，采用不同的放大准则，可以看出，采用不同的放大准则， 其结果相差很大。这表明，若仅考虑将某一参其结果相差很大。这表明，若仅考虑将某一参 数作为放大准则进行放大，则有一定片面性。数作为放大准则进行放大，则有一定片面性。 l 这是因为各个参数之间相互联系，而这这是因为各个参数之间相互联系，而这 种联系又不都是简单的比例关系，因此要求放种联系又不都是简单的比例关系，因此要求放 大过程中要保证所有因素都不变是不可能的。大过程中要保证所有因素都不变是不可能的。 l 对于经验放大法，根据统计，在实际放对于经验放大法，根据统计，在实际放 大

31、过程中应用最多的是大过程中应用最多的是以以k kL La a或或P P0 0/V/VL L相等为基相等为基 准的放大。准的放大。 42 3、生物反应器比拟放大需要考虑、生物反应器比拟放大需要考虑 的因素的因素 物理因素物理因素 u氧传质系数（KLa） u单位体积的搅拌功率 u剪切应力 化学因素化学因素 过程因素过程因素 u种子的级数 u灭菌条件 43 3.1 物理因素物理因素 3.1.1 氧传质系数（氧传质系数（KLa） pKLa能用于表征氧的传质能力。能用于表征氧的传质能力。 pKLa受罐的大小，搅拌器的挡数和形状，转速，受罐的大小，搅拌器的挡数和形状，转速， 挡板，通气速率，罐压等的影响。

32、挡板，通气速率，罐压等的影响。 pKLa在发酵过程中随发酵液黏度的改变而变化，在发酵过程中随发酵液黏度的改变而变化， 特别是丝状菌的发酵，为非牛顿型流体特性，特别是丝状菌的发酵，为非牛顿型流体特性， 应在线过程监测。应在线过程监测。 44 3.1.2单位体积的搅拌功率单位体积的搅拌功率 单位体积的搅拌功率常被用于发酵过程的单位体积的搅拌功率常被用于发酵过程的 放大。此法的好处是容易从小型发酵罐中获得。放大。此法的好处是容易从小型发酵罐中获得。 一些重要的因素，如黏度，已包含在搅拌功率一些重要的因素，如黏度，已包含在搅拌功率 的实验数值内。如现成的电机功率不足，采用的实验数值内。如现成的电机功率

33、不足，采用 稀配方或减小发酵罐的装量也是一个方法。稀配方或减小发酵罐的装量也是一个方法。 45 3.1.3 剪切应力剪切应力 p 在大型发酵罐中培养丝状菌（如真菌或放线在大型发酵罐中培养丝状菌（如真菌或放线 菌），其菌丝常被搅拌叶打断。剪切应力与搅菌），其菌丝常被搅拌叶打断。剪切应力与搅 拌叶尖的线速度成正比，从断裂菌丝溢出核酸拌叶尖的线速度成正比，从断裂菌丝溢出核酸 类物质的数量与叶尖的线速度相关。类物质的数量与叶尖的线速度相关。 p培养对剪切应力敏感的微生物，应降低搅拌速培养对剪切应力敏感的微生物，应降低搅拌速 率，相应增加搅拌器的直径和采用多挡搅拌器，率，相应增加搅拌器的直径和采用多挡搅

34、拌器， 以提高发酵液的溶氧。以提高发酵液的溶氧。 46 圆盘弯叶圆盘弯叶圆盘平直叶圆盘平直叶 圆盘箭叶圆盘箭叶 凹叶圆盘凹叶圆盘 l圆盘平直叶具有很大的圆盘平直叶具有很大的 循环输送量和功率输出，循环输送量和功率输出， 适用于各种流体。适用于各种流体。 l在混合要求特别高，溶在混合要求特别高，溶 氧速率相对要求略低时，氧速率相对要求略低时， 可用圆盘弯叶。可用圆盘弯叶。 l圆盘箭叶轴向流动较强圆盘箭叶轴向流动较强 烈，输出功率较低。烈，输出功率较低。 l凹叶圆盘能耗低，缩短凹叶圆盘能耗低，缩短 混合时间。混合时间。 47 3.2 化学因素化学因素 p 主要包括培养基的组成、浓度、氧化还原电主要

35、包括培养基的组成、浓度、氧化还原电 位、位、pH、气体、气体CO2、O2等。等。 p在小型发酵罐中优化的培养基成分放大到生产在小型发酵罐中优化的培养基成分放大到生产 罐中不一定合适。特别是影响产物合成的主要罐中不一定合适。特别是影响产物合成的主要 因素在生产过程中需要监测，并通过补料控制因素在生产过程中需要监测，并通过补料控制 在适当的水平。在适当的水平。 48 研究表明，通过通气和搅拌控制氧化还原研究表明，通过通气和搅拌控制氧化还原 电位，从电位，从10L放大到放大到100L和和1000L中试罐（甚中试罐（甚 至是几何形状不同的搅拌罐）是最为成功的方至是几何形状不同的搅拌罐）是最为成功的方

36、法。不过，此法对其他品种的发酵是否适用还法。不过，此法对其他品种的发酵是否适用还 有待证实。有待证实。 49 3.3 过程因素过程因素 随着发酵罐的容量增大，所需种子罐的级随着发酵罐的容量增大，所需种子罐的级 数增加，且各级的种子培养基也不同，需满足数增加，且各级的种子培养基也不同，需满足 生产菌不同生长阶段的需求。原材料的批与批生产菌不同生长阶段的需求。原材料的批与批 之间的质量差异有时也会影响产量。实地（罐之间的质量差异有时也会影响产量。实地（罐 内）或连续（罐外）灭菌的方法对培养基的破内）或连续（罐外）灭菌的方法对培养基的破 坏是不同的，其结果也会影响产物的合成。坏是不同的，其结果也会影

37、响产物的合成。 50 3.3.1 种子的级数种子的级数 随着过程的放大，各级种子的质量也很重随着过程的放大，各级种子的质量也很重 要，可以遵循以下的原则：要，可以遵循以下的原则： 种子接种到生产罐后，其停滞（适应）期应尽种子接种到生产罐后，其停滞（适应）期应尽 可能缩短；可能缩短； 应有足够量的种子；应有足够量的种子； 细胞的生长形态适合。细胞的生长形态适合。 51 3.3.2 灭菌条件灭菌条件 对实罐灭菌来说，大型发酵罐所需的灭菌对实罐灭菌来说，大型发酵罐所需的灭菌 时间要长很多，这样常导致培养基的焦糖化和时间要长很多，这样常导致培养基的焦糖化和 重要成分的破坏。这些降解产物往往会影响菌重要

38、成分的破坏。这些降解产物往往会影响菌 的生长和产物的合成。因此，糖需要和其他培的生长和产物的合成。因此，糖需要和其他培 养基分开灭菌。养基分开灭菌。 52 4、小结、小结 生物反应器的比拟放大不是简单的按比生物反应器的比拟放大不是简单的按比 例放大，而是建立在几何相似、培养条件相同例放大，而是建立在几何相似、培养条件相同 和微生物在反应器中充分分散等基本假设之上和微生物在反应器中充分分散等基本假设之上 的。由于生物反应器的类型很多，所适用的体的。由于生物反应器的类型很多，所适用的体 系也各异，因此系也各异，因此生物反应器生物反应器的比拟放大是比的比拟放大是比 较复杂的。较复杂的。到目前为止，生

39、化放大过程一直是到目前为止，生化放大过程一直是 一个难题。一个难题。 53 发酵过程监控的主要指标发酵过程监控的主要指标 1.物理指标：T、P、搅拌转速、功耗、泡沫、气体流 速、黏度等。 2.化学指标：pH、氧化还原电位、溶解氧、气体COO、 糖含量、化合物含量等。 3.生物指标：菌体浊度、ATP、各种酶活力、中间代 谢产物等。 随着规模的放大，以上各种指标可能均在变化，随着规模的放大，以上各种指标可能均在变化， 故在小试中应先找到影响菌的生产性能的故在小试中应先找到影响菌的生产性能的关键因素。关键因素。 54 比拟放大过程中，虽然要考虑的因素有很多，但比拟放大过程中，虽然要考虑的因素有很多，

40、但 经分析归纳，其有影响的主要变量不过经分析归纳，其有影响的主要变量不过D、N、P0三三 种，为了全力找出放大过程中的关键因素，就应该抓种，为了全力找出放大过程中的关键因素，就应该抓 住主要变量这个环节。住主要变量这个环节。 其他因素包括：拌涡轮数目、涡轮间距离、罐的其他因素包括：拌涡轮数目、涡轮间距离、罐的 其他尺寸以及空气的空罐流速，空气在发酵醪中的阻其他尺寸以及空气的空罐流速，空气在发酵醪中的阻 留率也应该考虑。留率也应该考虑。 55 总之，生物反应器的比拟放大需要尽可能总之，生物反应器的比拟放大需要尽可能 模拟重要的培养条件，对过程进行缩小研究有模拟重要的培养条件，对过程进行缩小研究有

41、 助于揭示生产中存在的问题。然后，针对关键助于揭示生产中存在的问题。然后，针对关键 问题再进行试验研究，有时还需要从菌种选育问题再进行试验研究，有时还需要从菌种选育 着手去克服比拟放大中出现的问题。着手去克服比拟放大中出现的问题。 56 57 2.2 半理论放大方法半理论放大方法 l由上可知，理论放大方法难于求解动量衡算方由上可知，理论放大方法难于求解动量衡算方 程。为解决此矛盾，可对动量方程进行简化，程。为解决此矛盾，可对动量方程进行简化， 对搅拌槽反应器或鼓泡塔，对搅拌槽反应器或鼓泡塔，只考虑液流主体的只考虑液流主体的 流动，而忽略局部流动，而忽略局部（如搅拌叶轮或罐壁附近）（如搅拌叶轮或罐壁附近） 的复杂流动的复杂流动。 58 局限性局限性 l半理论放大方法是生物反应器设计与放大最普半理论放大方法是生物反应器设计与放大最普 遍的实验研究方法。但是，液流主体模型通常遍的实验研究方法。但是，液流主体模型通常 只能在小型实验规模的发酵反应器（只能在小型实验规模的发酵反应器（530L） 中获得，并非是在大规模的生产系统中得到的中获得，并非是在大规模的生产系统中得到的 真实结果，故使用此法进行放大有一定风险，真实结果，故使用此法进行放大有一定风