第八章 发酵中式比拟放大.ppt

1、第八章 发酵中试比拟放大,发酵过程研究的基本过程： 从实验室研究 小试 中试工厂研究 工厂生产 1、实验室研究：进行菌种筛选和培养基研 究； 2、小试：依据实验结果进行放大，一般5-10倍。 3、中试工厂研究：确定菌种培养的最佳工艺 条件，取得重要工艺参数，向生产规模过； 4、工厂生产：大规模生产，获取利润。,中试： 就是在做工业化之前的中等生产规模的试验，是从实验室到大生产的过渡。中试涉及到发酵条件的进一步摸索和生产设备的放大等问题。 比拟放大： 是以相对论的方法，把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段。,实验室研究阶段与中试研究阶段的变化 摇瓶和发酵罐的差异： 液

2、相体积氧传递系数KL和溶解氧的差异，发酵罐一般大于摇瓶； CO2溶解度差异，发酵罐具有正压，CO2溶解度高； 菌丝损伤程度：搅拌的存在，发酵罐远大于摇瓶发酵。 发酵规模的改变： 菌体繁殖代数的变化：种子的差异：基质质量的变化：通气和搅拌的改变：热传递的差异。,第一节 发酵中试比拟放大目的与任务,一、发酵中试比拟放大条件 小试工艺已成熟（合成路线确定，操作步骤明晰，反应条件确定） 取得了多批次稳定详实的小试实验数据，完成物料衡算 确定各阶段的检测分析方法，并建立质量标准 完成发酵相关设备的耐腐实验，具备安全生产保证。,二、发酵中试比拟放大目的 应用理论和实验结合的方法，总结发酵系统的内在规律和影

3、响因素，研究解决有关物质和能量传递问题，以便尽可能维持细胞生长速率和代谢产物生成速率； 验证、复审和完善实验室工艺所确定的合成工艺路线，是 否成熟合理，主要经济指标是否接近生产要求； 研究选定工业生产设备结构 材质、安装和车间布置，为正式生产提供数据。 发酵比拟放大的最终目的：使菌体在大小型反应器中所处的外界环境完全或基本一致。,三、发酵中试放大阶段的任务 工艺路线和单元操作方法的最终确定 设备材质和型号的选择 搅拌器型式和搅拌速度的考察 反应条件的进步研究 工艺流程和操作方法确定 进行物料衡算 原材料、中间体和物理性质和化工常数的测定 原材料中间体质量标准的制定 消耗定额、原材料成本、操作工

4、时与生产周期确定。,四、新产品研究的最终目的 1、实验室研究阶段 是新药研究的探索阶段，目的是发现先导化合物和对先导化合物的结构修饰，找出新药苗头。 2、小量试制阶段 改掉不符合工业生产的合成步骤和方法 用工业级原料代替化学试剂 原料和溶剂的回收套用 安全生产和环境卫生,3、中试生产阶段 任务： 考核小试提供的工艺路线是否合乎工业生产； 验证小试提供的工艺路线是否成熟、合理、经济； 考核和验证过程中，获取积累试验数据； 根据研究结果制定质量标准和分析鉴定方法； 提出三废处理措施，进行经济核算，提出成本； 制定完整的工艺规程、安全操作规定；,初步衡算生产成本； 中间体和成品制备，累积数据完善中试

5、生产数据； 对物料规划，提出回收套用和三废处理措施； 提出完整合成路线工艺流程图、各单元操作工艺规程、完全操作机制度。,4、天然药物有效单体实验研究 小试和中试基本和合成药物相似，只是用提取、分离、纯化工序上代替了化学合成。 中试生产的原料药可以临床试验，因此，一切生产活动都要符合GMP，质量和纯度达到药用标准，一般新药申请（NDA）时，要提供原料药中试资料。,第二节 发酵中式比拟放大原则和依据,发酵罐类型较多，体系各异，发酵放大是较为复杂。 1、放大原则 （1）几何相似放大 按大小装置几何比例放大，像体积放大倍数等于高径放大倍数，一般大设备高径比要大些。 （2）恒定等体积搅拌功率放大 是化学

6、反应器放大准则，Pg/V恒定确定搅拌转速,2、放大依据 （1）单位体积液体的搅拌消耗功率 （2）搅拌雷诺准数 （3）溶氧系数 （4）搅拌桨末端线速度 （5）混合时间 （6）通过反馈控制条件，尽可能使重要环境因子 一致。,3、物料衡算 意义：是化工计算中最基本和重要内容，也是能量衡算基础；揭示物料利用情况；了解产品得率最佳值和设备生产能力潜力；掌握各生产设备匹配情况。 （1）理论基础 研究一个系统内进、出物料及组成变化。系统可大小。理论基础是质量守恒定律：进入反应器的物料量-流出反应器的物料量-反应器中的转化量=反应器中的积累量 根据化学反应规律，通过反应方程式求出物质转化定量关系。,（2）计算

7、标准和年设备操作时间 、基准：以每批操作为基准，适用于间歇操作设备、标准或定型设备。以单位时间为基准，适用于连续操作设备。以1kg为基准，确定原辅料的消耗定额。 、年设备操作时间 每年一般生产330天，36天作为设备车间检修时间。,（3）收集计算数据和物料衡算步骤 、收集有关计算数据 、转化率 、选择性,（4）车间总得率 （5）物料计算步骤 收集计算所必需的基本数据 列出化学方程式，有主副反应，并画出流程图 选择物料计算基准 进行物料计算 列出物料平衡表：输入与输出；三废排放量；原辅料消耗定额。,第三节 发酵中试和发酵罐比拟放大内容,1、发酵中试放大的内容 研究在一定规模设备中操作参数和条件的

8、变化规律；验证实验室工艺路线的可行性；进行工艺条件限度实验和过程优化控制；确定小试到放大所需测定参数及过程控制方法；解决实验室阶段未能解决或尚未发现的问题。 具体内容有以下几个部分：,（1）生产工艺路线的复审 （2）设备材质与型式选择 （3）搅拌器型式和搅拌速度的考察 （4）反应条件的进一步研究 （5）工艺流程和操作方法的确定 （6）原辅材料和中间体的质量控制,2、发酵比拟放大的内容 主要有：几何尺寸、通风量、搅拌功率、传热面积和其他方面内容。它们是相互关联，放大、通气和搅拌是重要内容。 （1）几何尺寸的放大 D2/D1= Di2/Di1=(V2/V1)1/3 D反应器直径 Di搅拌器直径 V

9、反应器装料容积,（2）通风量的放大 、单位体积液体通风量Q/V相等放大 、通风截面空气线速度Vs相等放大 、通风准数相等放大 、体积溶氧系数相等放大 大罐单位体积需要通风量要比小罐单位体积通风量小的多。,（3）搅拌功率放大 搅拌功率是影响溶氧量的关键因素，搅拌功率放大是放大主要内容，性质固定液体，功率取决于转速n和叶轮直径Di,一般Di固定，放大就主要是转速问题。 按雷诺系数Re相等放大 单位体积液体消耗功率P0/V相等放大 按体积溶氧系数相等放大 搅拌器末端线速度相等放大 按单位体积搅拌循环量F/V相等放大,第四节 发酵中试比拟放大的方法,1、比拟放大的基本方法 将在小型设备中进行的科研成果

10、放在大生产设备中再现的过程，便是比拟放大。 基本方法：找出表征系统的各种参数，并将之组成一个具有物理含义的无量纲量，由此再建立函数关系式；用实验方法在试验设备中求得函数式中包含的常熟和指数；将此确定的函数关系式用于与试验设备几何相似的大型设备设计。 比拟放大不是简单按比例放大，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的假设基础上的。 一般生物工业生产中，放大倍数在10-200。,2、比拟放大具体方法 目前主要有：经验、因次分析、相似、理论、半理论、数学模型。 经验放大法 凭借经验通过逐级放大，包括：小试装置-中间装置-中型装置-大型装置，以此来摸索反应器的特征，建立一些规律。

11、 这些规律大多是半定性的、简单的、粗放的定量。,基于原则： 空时得率相等-尽管反应规模不同，但在单位时间、单位体积反应器中所生产的产品是相同的，通过物料衡算，得到空时得率经验数据，以此求得放大反应器所需要的容积。 经验放大条件： 所放大的装置必须与提供经验数据的装置保持完全相同的操作条件；适用于反应器的搅拌型式、结构和反应条件相似的情况；放大倍数不宜过大。 经验放大法是目前最常用的放大法。,因次分析放大 在放大过程中，维持生物发酵系统参数构成的无量纲数群恒定不变。 一旦准数获得，生物反应器放大就很简单，只要将小型设备和大型生产设备系统的同一准数取相同值就可以。,相似放大法 也叫相似模拟放大，利

12、用相似原理，保持无量纲准数（相似准数）相等的原则进行放大。 根据对过程了解，确定影响因素，用因次分析法求得相似准数，根据系统相似时同一相似准数的数值相等的相似理论第一定律，计算放大。 一般适合物理过程放大，不适合化学过程放大。 不常用。,理论放大 建立及求解反应系统的动量、质量和能量平衡方程。 特点:以最系统、最科学的理论为依据的方法；求解复杂，很难实现。 一般该方法只适用于简单的系统。像静止的发酵液，固定化反应器等。,半理论放大法 为解决理论放大无法求解动量衡算方程，对动量简单化，搅拌器只考虑液体主体流动，忽略局部流动的方法。,数学模拟放大 用数学方程式表述实际过程和实验结果，然后用计算机模

13、拟研究、设计放大，是应用计算机技术的放大法。 预测大设备行为的数学模型可靠性是决定数学模型放大的关键，一般要对模型计算结果和中试放大的数据进行比较并进行修正。,3、比拟放大适用性 发酵过程是一个极其复杂的生化反应过程，影响其过程因素较多：物理、化学、生物；有些已经很了解却不能准确快速测量，有些还未被认识。 目前的比拟放大中只研究了其中少数参数，而且有些事假定不变的，实际上却是变化的。 决定比拟放大适用性主要因素是：对比拟放大理论和技术不断完善；对发酵本质的了解。 发酵过程中比拟放大法：等体积溶氧系数、等搅拌器末端线速率、等单位体积消耗功率、等雷诺系数、相似混合时间。,4、中试比拟放大步骤 物料

14、中试比拟放大工作步骤：依据小试操作步骤进行物料衡算和中试工艺流程；制定包括回收溶剂估算的原料消耗表；制定放大工艺流程（操作步骤和设备结合）；依据流程图进行中试工艺安装。,具体步骤包括： 设置改装车间 布置操作平台 编制中试操作规程 试车 正式实验开始,第五节 发酵中试放大设备,中试放大的设备包括设计要求和操作原理、流程（原材料质量、过程控制和最终产品质量）都要与工业化生产基本一致，务必反映工业生产的实际情况。 中试批量规模一般不少于工业生产的1/10， 判断中试规模关键是：生产工艺能否反映工业生产实际情况。,1、中试放大装置 （1）中试放大采用合适的装置 根据具体的反应类型和操作条件选择和设计

15、，材质形式要求，按照工艺流程安装。 （2）微型中间装置取代大型中间装置 一般采用关键环节放大，为工业化提供精确设计数据。 （3）多功能车间 节省费用，对样品制备或小批量试制，适合多种产品中试放大。,2、设备选择和工艺管路改造 （1）根据小试结果在多功能车间、中试车间对设备选择。设备容量、材质、管路材质和工艺介质是否耐腐蚀，加热冷却和搅拌速度等。 （2）物料输送的方法 各个步骤之间的流转，如何防止跑料、凝固个堵塞等 （3）物料计量和加料方法 滴加以及如何控制？ （4）反应有无气体产生，是否冲料，有时加气液分离器和回流管。 （5）离心、压滤条件是否满足 根据上述情况对不符合要的进行改造。,3、投料

16、前准备 （1）对设备进行试压和试漏操作，结合清洗进行联动试车，保证投料后不再动火，在情况正常下，进行管道保温。 （2）做好设备清洗和清场工作，确保反应体系无杂物，严防产生交叉污染。 （3）根据工艺要求和试验需要核定投料系数，计算投料量，做到原材料配套领用，质量合格、标志清楚，分类定置安放。 （4）计划和准备好中间体的盛放器具和堆放场所,（5）生产条件检查：蒸汽、油浴、冷却水和盐水是否通畅，阀门是否符合要求。 （6）物料是否均相，搅拌是否符合要求，固体是否沉淀在底阀凹处，尤其固体催化剂和难容原料的沉淀，如何采取避免沉淀措施。 （7）各种仪表是否正常：尤其当物料较少时，各种探头是否完全处在物料中。

17、 （8）写好操作规程和安全规程。,发酵都是在反应器中进行的，无论是离体还是在体反应器，各种设备是发酵不可缺少的硬件。目前发酵药物生产工艺随着原材料的不同，生产的设备也有较大差异。但全都要采取智能化、全自动化、密闭、在线实时监测，尽可能减少人为操作，以便保证质量的稳定、可控、生产高效率。 生物制药发酵罐一般体积达到500m2，有些SCP为2000m2。有些药物（单抗诊断试剂）在实验室规模就可以满足市场需求，而有些反应器大小成为大规模生产的制约因素。,第六节 发酵中试放大的工艺,生产工艺过程是从原料到成品之间的各个相互连接的单元操作过程和质量监控。 工艺条件：,在生产过程中涉及到化学合成反应或生物

18、合成途径的具有直接关系的单元操作的次序、条件组成。,配料比 温度 反应时间 搅拌方式 后处理方法 精制条件,辅助过程：包括动力供应、原料供应、包装、储运和三废处理，是指其他过程。 工艺放大：实验室、中试工厂和生产车间三个步骤。 放大：将实验室和中试车间试验取得的研究结果应用到大规模的工业生产中的过程。,一、原材料特点 生物材料一般包含多糖、蛋白质、核酸、脂类、糖蛋白等复合物。 1、生物技术产品存在异构现象，蛋白质活性与结构和构象密切关联； 2、维持空间构象的次级键对酸、碱、有机试剂、重金属、热、光敏感； 3、环境和介质影响产物结构； 4、生物技术产品产生热源和过敏原； 5、生产条件改变对产品质量影响大。,二、选用操作方法依据 根据物料的处理量和类型， 反应和后处理的操作方法与工业生产要适应 缩短工序、简化操作 减轻劳动强度，实现自动化操作 保证安全工作环境和条件,三、生产工艺规程 生产工艺规程 某种产品可以采用若干种生产工艺，把那种是最合理、经济和能保证产品质量的工艺生产过程的各项内容写成文件形式。 特点 是指导生产重要文件、也是组织生产的基本依据