28-发酵过程的实验室研究、中试和放大.ppt

1、发酵过程的实验室研究、中试和放大,常规放大进程,第一节 小试（实验室研究）,一、小试设备： 生化培养箱、摇床/摇瓶柜、小型发酵罐。 (一)、摇瓶机： 往复式：80-120rpm，冲程80-120mm；用于培养细菌、酵母等单细胞菌体； 旋转式：60-300rpm，偏心距30-60mm。传氧速率好、培养液不会溅瓶口。（普遍采用）,摇瓶实验 影响微生物生长的物理因素： 1. 瓶塞是氧传递的限制因素 2. 水蒸发的影响 影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变菌体产物浓度 3. 比表面积的影响,(二）、小发酵罐,10L以下罐：玻璃罐较多，大多2级搅拌，六平叶，一般最大600rpm，环形空气分布管。 30

2、-150L罐：不锈钢罐，3级搅拌，六平叶/弯叶，一般最大500-550rpm，空气分布器：直管。 都配有DO、pH、T、泡沫等传感器。 （可直接检测控制温度、搅拌转速、通气流量、罐压、消泡、 pH、DO、发酵液体积、补料量、排气 CO2 和 O2 等十多个在线参数）,发酵罐（液体发酵）的种类： 密闭厌氧发酵罐 通气搅拌发酵罐 机械搅拌通风发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐,密闭厌氧发酵罐,2.1 机械搅拌通风发酵罐,图6-1 小型发酵罐结构图 1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节； 4.轴封；5.窥镜；6.取样口；7.冷却水出口；8.夹套；9.罐壁；10.温度计；11.轴；12.搅拌器；

3、13.底轴承支架；14.放料口；15.冷水进口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板；19.接压力表；20.手孔；21.电动机；22.排气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口,图6-2；大型发酵罐结构图 1.轴封；2.人孔；3.梯子；4.联轴节； 5.中间轴承；6.热电偶接口；7.搅拌器；8.通风管；9.放料口；10.底轴承；11.温度计；12.冷却管；13.轴； 14.取样； 15.轴承柱；16.三角皮带传动；17.电动机；18.压力表；19.取样口；20.人孔；21.进料口；22.补料口；23.排气口；24.回流口；25.窥镜,搅拌器

4、和挡板,1 搅拌器的作用，型式及特点 搅拌器的作用 打碎气泡，产生漩涡，提高氧的利用率 促进传质和传热 液体流型：径向流、轴向流、切向流,特点：剪切作用较强，混合效果较差,流型,轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流）,特点：剪切作用较弱，混合效果较好,流型,切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）,特点：剪切作用和混合效果很差,螺 旋 桨 搅 拌 器,轴向流的代表 优点：混合效果好 缺点：剪切作用差，不能阻止气流沿搅拌轴上升，不能打碎气泡

5、，不利于溶氧，只用于培养基的配制，料液的混合。,轴向流搅拌器的型式和特点,径向流搅拌器的型式与特点,圆盘平直叶涡轮搅拌器：是径向流的代表，在圆盘上焊有六片平直叶，圆盘可阻止气体沿搅拌轴上升，轴向流差，不利于混合，剪切作用强，有利于打碎气泡，溶氧效果好，功率消耗大。 圆盘弯叶涡轮搅拌器：径向流较差，轴向流较强，混合效果较好，剪切作用不如平直叶，溶氧效果不如平直叶，功率消耗小。 圆盘箭叶涡轮搅拌器：轴向流强，径向流差，剪切作用小，混合效果最好，溶氧效果差，功率消耗最小。,几种涡轮搅拌器作用比较,2 挡板,（a） （b） （c） （a）周边无档板；（b）螺旋桨搅拌器周边有垂直档板； （c）涡轮搅拌器

6、周边有垂直档板,43,挡板的作用：改变液流的方向，将切向流改为轴向流,防止产生漩涡。提高搅拌混合效果，提高湍流强度. 数目通常为46块，其宽度为0.10.12 D。 全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。（消除液面漩涡的最低条件）。,式中： D罐的直径（mm） Z挡板数 W挡板宽度（mm） 用来校验档板数是否够,3 消泡器,作用：打碎泡沫，防止逃逸 型式：锯齿状，梳状，孔板状，一般安装在搅拌轴上高出液面的部位，随搅拌轴转动而转动，将泡沫打碎。 长度： L=0.65D,4 空气分布管,作用：使通入的空气均匀分布 型式： 单管式 正对罐底，距罐底 40mm，罐底衬不锈

7、 钢圆板，防空气冲击 环 式 易堵。,需要变速的原因： 电机的转速大于搅拌器所需转速。 电机分四级，转速分别约为： 800、1000、1400、1600 rpm； 而搅拌转速则一般为90-110rpm。 发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。,5 传动装置（1）变速装置,（2）搅拌轴：,有上悬式和下伸式两种,作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动,轴承结构,6.轴封,轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。 形式：填料函轴封、机械轴封两种。,填料函轴封,机械轴封,又称端面轴封，由弹性元件、动环和静环组成。 动环固定在轴上，随轴一起转动。静环装在壳体上。动环依靠弹簧

8、的压力与静环紧密接触，阻止流体泄漏。 由两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。,依靠三个密封点达到完全密封： 1动环与静环之间的密封 2静环与压盖之间的密封 3动环与轴之间的密封,1- 弹簧 2- 动环 3- 硬质合金 4- 静环 5- O形密封圈, 搅拌器轴功率的计算,全档板条件下，对于牛顿型流体通过因次分析，得： 式中 P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦） ：液体的密度（公斤/米3） ：液体的粘度（牛.秒/米2） D：涡轮直径（米） N：涡轮转数（转/秒） K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及 流体的流态,1.单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算,是一个无因次数，可定义为

9、功率准数NP。该准数表征着机械搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性之比。,式中 ：涡轮线速度 a：加速度 V：液体体积 m：液体质量,是一个无因次数，称为 功率准数 NP 。 是一个无因次数，称为 搅拌雷诺数 ReM NP ReM 的关系：实测找出规律，即经验系数K，m 当ReM10时，液体为层流状态，m=-1； 当ReM104时，液体为湍流状态， m=0； 多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数K，查图得Np 。,ReM104，达到充分湍流之后 P0=NPD5N3,2，多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算,使用多个涡轮时，两者间的距离S， 对非牛顿型流体可取为

10、2D， 对牛顿型流体可取2.53.0D； 静液面至上涡轮的距离可取0.52D， 下涡轮至罐底的距离C可取0.51.0D。 符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数。,迈凯尔的修正关系式,3，通气液体机械搅拌功率的计算,计算举例,某细菌醪发酵罐 罐直径T1.8(米) 圆盘六弯叶涡轮直径D0.60米，一只涡轮 罐内装四块标准挡板 搅拌器转速N168转分 通气量Q1.42米3分(已换算为罐内状态的流量) 罐压P1.5绝对大气压 醪液粘度1.9610-3牛秒米2 醪液密度1020公斤米3 要求计算Pg,(1)计算ReM ReM=5.2

11、5 104 (2)由NP ReM查NP ， NP =4.7 (3)计算P0 P0=NPD5N3= 8.07（千瓦） (4)计算Pg,7 换热装置,（1）作用：实消时预热和冷却，发酵过程中的冷却和加热。 （2）型式：夹套、竖式蛇管、列管 夹套：5m3以下的罐子采用，冷却水流速低，传热系数小，换热效果差。但能减少罐内附件，减少死角。 冷却蛇管：罐内装4-6组，水流速度快，但管径小，流量小，适用于冷却水温度低的地区。 冷却列管：罐内装4-6组，管径大，耗水量大，降温快，适用于冷却水温度高的地区。,冷却面积的计算,传热系数的经验值或计算 夹套 K 为4.187*（150-250）kJ/m2 h K 蛇

12、管 K 为4.187*（300-450）kJ/m2 h K,T、t1、t2 分别为醪温、冷却水进出口温度,Q总每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积 cp冷却水的比热容 t2冷却水终温，t2=27 t1冷却水初温，t1=20,W冷却水体积流量 V冷却水流速,25,罐体的尺寸比例（重点）,通用发酵罐 通常取值 系数范围 搅拌器直径 d =1/3D 1/21/3 罐筒身高 H0 =2 D 1.73 挡板宽度 B =0.1D 1/81/12 搅拌器间距 S=2d 1.52.5 下搅拌器距底间距 C= d 0.81.0 挡板与罐壁的距离 （1/5-1/8）B HL：装料的液面高度。

13、 ha ：封头凸出部分的高度，标准椭圆封头有ha 0.25D。 Hb：封头直边高度，据壁厚一般取25、 40、 50mm。,机械搅拌通风发酵罐的优缺点,优点:操作弹性大，pH值和温度易于控制；有较规范的工业放大方法；适合连续培养。 缺点:驱动功率大；内部结构复杂，难于彻底洗净,易造成污染；在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用，细胞易损伤,2.2 自吸式发酵罐,定子的作用：将气体与液体混匀，甩出，将大气泡打碎，促进溶氧。,转子的作用：将转子内的液体甩出，形成内部真空，将气体吸入。,优点: 利用机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内,达到既通风有搅拌的目的，从而省去了压缩机。 缺点: 进罐空气处于

14、负压，因而增加了染菌机会，且搅拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。,2.3 气升式发酵罐,优点：能耗低，液体中的剪切作用小，结构简单，且由于省去了机械搅拌而不需机械密封，避免了因机械密封不良造成的杂菌污染。 缺点：它不适用于高粘度或含大量固体的培养液。,1、实验室研究的目的： 菌种保藏 菌种在固体培养基上培养和繁殖的条件 研究培养基最适组分 实验室规模的培养技术,（三）实验室研究和统计学方法,2、研究的步骤 先确定培养基组分 通气强度 影响代谢产物产量的关键因素 摇瓶实验：提供基本信息和初步发酵工艺数据,三. 实验室研究和统计学方法,3、统计学方法,一般实验 正交试验 均匀实

15、验 响应面实验,10.2 摇瓶培养与罐培养的差异和发酵规模改变的影响,一、摇瓶和罐培养的差异 1. 体积氧传递系数（KLa）和溶解氧的差异 2. CO2浓度的差异 3. 菌丝受机械损伤的差异 除此之外，还有哪些差异?,消毒方式、接种方式、通气方式、蒸发量、 搅拌方式、pH控制、温度控制、检测手段,从下面四个方面模拟罐上发酵的条件,二、 发酵罐规模改变的影响 几何相似、不同规模的发酵罐对比， 改变的主要因素有： 菌体繁殖代数 种子的形成 培养基的灭菌 通气和搅拌 热传递,菌体繁殖代数的差异 Ng=1.44(lnV+lnx-lnX0) Ng：菌体繁殖代数 V：发酵罐体积 m3 x：菌体浓度 kg/

16、m3 X0：总菌体量 kg,2. 培养基灭菌的差异 分批灭菌：预热期、维持期、冷却期 培养基体积越大，预热期和冷却期越长 对培养基破坏越严重 3. 通气与搅拌的差异 4. 热传递的差异 5. 种子形成的差异,发酵放大过程中，菌种质量和 其它发酵工艺也会改变,10.3 发酵规模的缩小和放大 一、概述 缩小（scale down）：大规模发酵生产条件作为中小型实验条件 放大（scale up）：实验室和中试车间结果应用到大规模发酵工业中,二. 放大或缩小的关键因素,小设备、大设备的环境条件分析（尽量一致）： 化学因素：基质、前体浓度等，人为控制可保持恒定； 物理因素：温度、菌浓、粘度、压力、功率消

17、耗、剪切力等。有差异,第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究,三. 放大的过程,第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件,第三阶段 工厂大规模生产,四、生物反应器的放大的原理与准则,生物反应器的放大的原理 相似原理 即实验反应系统和放大反应系统的生物化学反应过程、流体流动与动量传递、热量和质量传递过程，能用相同的微分方程来描述，并具有相同的特征，则两个系统具有相同的行为方式。,理想反应器放大应达到的相似条件： 1、几何相似性 2、流体力学相似性 3、热力学相似性 4、质量（浓度）相似性 5、生物化学相似性,经验放大法 缩小-放大法 因次分析法 数学模型法,五、生物反应器的

18、放大方法,数学模拟放大法进行发酵罐的放大,六、通气发酵罐的设计-经验放大法,一、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。放大倍数实际上就是反应器的增加倍数。,二、恒定等体积搅拌功率放大,这种方法适用对于以溶氧速率控制发酵反应的生物发酵，粘度较高的非牛顿型流体或高细胞密度的培养。,对于不通气时的机械搅拌生物反应器，轴功率计算,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,0.0114,3,三、恒定体积溶氧系数放大,这种方法适用于牛顿性流体、高耗氧发酵（细菌发酵、酵母发酵）发酵过程的反应器的放大。,(1)以福田秀雄的关联式为放大基准 Kd=(2

19、.36+3.30m) (Pg/V)0.56 Vs0.7 N0.7 10-9 m-搅拌涡轮的个数,KLa(Pg/V) 0 . 56Vs0.7N0.7,P0 = 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/Vs0.03,KLa N2.23 Vs0.68 D1.13 按 (KLa)2 =(KLa)1 原则 N2 = N1 Vs1/(Vs)20.30 (D1/D2)0.51 (pg)2 =(pg)1Vs1/(Vs)20.849(D1/D2)0.99,(2)以另一文献报

20、导关联式为放大基准,Qg-操作状态下的通气流量 VL-发酵液体积 HL-液柱高度,又,P为操作状态下 通入的空气的压力,四、恒定搅拌叶尖线端速度放大,适用于生物细胞受搅拌剪切影响较明显的发酵过程的放大，例如丝状菌的发酵。 搅拌叶尖线端速度（Dn）是决定搅拌剪切强度的关键。 桨叶尖端线速度：,五、恒定混合时间放大,混合时间是指在反应器中加入物料，到它们被混合均匀时所需的时间。在小反应器中，比较容易混合均匀，而在大反应器中，则较为困难。,ft混合时间函数； tM混合时间，s； n搅拌转速，r/s； Di搅拌叶轮直径，m； D发酵反应器直径，m； HL罐内液体深度，m； g重力加速度常数，9.81m

21、/s2。,FOX用因次分析法，当Re 105，得出以下关系式,混合时间函数 ft与 Re关系,以混合时间相等的准则进行放大,对几何相似的发酵罐，当Re105时： 当应用（P0/VL）1=（P0VL）2原则放大时，n2n1（Di1Di2）2/3：,六、空气流量放大, , ,又,欧洲发酵工业中的放大准则,若V2/V1=125，D2=5D1，P2=1.5P1，则用上述三种不同方法计算放大后的通气量结果如下表。,机械搅拌罐放大过程,测定试验罐的Qg、n、发酵速率及几何尺寸,测定发酵液的特性：r、m,计算试验罐的vvm、Qg/(nd3)、pnd及Re等,预算NP、P、Pg和kLa等,根据生产量和产率选择

22、发酵罐的体积和个数,按几何相似原则计算放大罐的尺寸,确定放大准则，通常对高耗氧生物反应用kLa相等原则,计算Q和N,根据vvm相等原则、Q/(nd3)相等原则、us相等原则确定Q,根据Pg与kLa关系计算n,估算搅拌功率,例：机械搅拌罐经验放大法,某厂在100L机械搅拌罐中进行淀粉酶生产试验，所用的菌种为枯草杆菌，获得良好的发酵效果，拟放大至20 m3 生产罐，粘度 =2.2510-3PaS，密度L=1020kg/m3。试验罐的尺寸为:直径D=375mm，搅拌叶轮d=125mm (D/d=3.0)，高径比H/D2.4，液深HL=1.5D，4块档板的W/D=0.1，装液量为60L，通气速率1.0

23、vvm，使用2档圆盘六直角叶涡轮搅拌器，转速n=350r/min。通过实验，证明此发酵为高耗氧的生物反应，故可按体积溶氧系数相等之原则进行放大。,筒身高度H 罐径D 档板宽度W 液位高度HL 搅拌器直径d 两搅拌器间距s 下搅拌器距底部的间距B,(1)依据几何相似的原则计算发酵罐尺寸,试验罐 D=375mm，d=125mm,(2)按几何相似原则确定20m3生产罐的尺寸：,据题设几何尺寸比例，放大罐与小罐相同，则有H/D2.4, D/d=3.0, HL/D=1.5, 而有效装料体积仍取60%，由此可得：,可得D=2.17m, H=2.4D=5.20m, d=D/3=0.72m, HL=1.5D=

24、3.26m 这是按几何相似原则计算求得的20m3生产罐的尺寸。仍采用两组圆盘六直叶涡轮搅拌器。,以体积溶氧系数相等为基准,以福田秀雄的关联式为放大基准 Kd=(2.36+3.30m) (Pg/V)0.56 Vs0.7 N0.7 10-9,以以下关联式为放大基准,以体积溶氧系数相等为基准,(3)计算试验罐的kLa,先求搅拌雷诺准数ReM,由功率准数,NP视搅拌强度及叶轮形式而定. 当发酵系统充分湍流时, 即ReM=104时, 对圆盘六直叶涡轮, NP=6.0;对圆盘六弯叶涡轮, NP=4.7;而对圆盘六箭叶涡轮, NP=3.7，由于此处ReM104,为圆盘六直叶涡轮，因此NP取为6.0,以体积溶

25、氧系数相等为基准,所以2档叶轮的不通气时的搅拌功率为 ：,相应地，通气搅拌功率为 ： (下式中Qg的单位是ml/min),从而可以算出体积溶氧系数 ：,其中空截面气速为 ：,(3)决定大罐的通气流率Qg:按几何相似原则放大设备，放大倍数越高，其单位体积液体占有的发酵罐横截面越小，若维持通气强度vvm不变，则放大后空截面气速则随罐容增大而迅速提高。因：,通气量Qg在维持通气强度vvm不变时，就有QgVLD3 而空截面气速为：,若按通气强度不变，即取大罐的通气速率为1.0vvm，可算出通气量及相应的空截面气速为：,对比小罐的空截面气速(us=54.3cm/min),可见，若按通气强度不变，则大罐的通气截面气速约相当于小罐的6倍。经验表明，这种气速太高。故可折中取大罐的us=150 cm/min,由此可计算出大罐的通气速率为：,通气强度为：5.55/12=0.462 vvm,(4)按kLa相等原则计算放大罐的搅拌转速和搅拌功率,7.01x10-6=7.434x10-8Pg0.56n0.7,即： Pg=3356n-1.25,又根据Pg的又一表达式：,即：,比较两个不同的Pg表达式可得：,由搅拌轴功率公式可计算得到：,联立上面二式可计算得到：n=123 r/min P=10.2 kW Pg=8.19 kW,Pg=3356n-1.2