28-发酵过程的实验室研究、中试和放大
发酵中试之比拟放大法
发酵工艺：发酵中试（fermentation on a pilot scale）之比拟放大法2016-05-11dayup发酵工程一、比拟放大的内容：罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放大问题，这些内容都有一定的相互关系。
二、比拟放大的依据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。
三比拟放大和它的基本方法比拟放大:是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，它不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放大。
首先必须找出表征着此系统的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义的无因次数，并建立它们间的函数式，然后用实验的方法在试验设备中求得此函数式中所包含的常数和指数，则此关系式在一定条件下便可用作为比似放大的依据。
比拟放大是化工过程研究和生产中常用的基本方法之一。
发酵过程是一个复杂的生物化学过程，影响这个过程的参数有物理的、化学的、生物的，有些虽然已经被认识了，但目前还不能准确快速地测量，有些则尚未被认识。
现在只研究了少数参数对此过程的关系，而假定其它参数是不变的，实际上不可能都是不变的。
因此发酵生产过程设备比似放大理论与技术的完善，有赖于对发酵过程的本质的深入了解。
发酵工程中所用的比拟放大方法有：等KLa，等πDN，等Pg/V，等Re或动量因子，相似的混合时间等。
四发酵过程的控制和监测4.1、发酵过程的监测内容与方式发酵过程的参数检测意义在发酵过程中，过程状态经历着不断的变化，尤其是批发酵这种状态的变化更快。
底物和营养物由于生物活性而变化，生物量的增加和生物量组成也在变化(包括物理、生化和形态学上的变化），而各种具有生物活性的产物被积累,发酵过程检测和控制的目的就是利用尽量少的原料而获得最大的所需产物。
（一）发酵过程监控的主要指标1．物理检测指标：温度；压力；搅拌转速；功耗；泡沫；气体流速；粘度等。
发酵过程的实验室研究、中试和放大
一. 实验室研究
(一) 实验设备 实验室研究所用的培养仪器和设备，如培养皿、培养箱等，已在微生物教科书和实验中介绍和 使用过，这里就不再叙述。绝大多数是需氧发酵，所以，对沉没(深层）液体培养来说，有气体自 然交换的摇瓶发酵和强制通气的发酵罐发酵。前者需要摇瓶机，后者需要容量大小不同的发酵罐 摇瓶机有往复式和旋转式两种。它们由3-4 个主要部件所构成，有支持台、电动机、控制系统 等可装有不同数量和不同大小的摇瓶，有250，500，1000ml的摇瓶，还有供种子液的4L大的摇瓶 。
1. 瓶塞对氧传递的阻力 为了保证瓶内是纯种培养，必须在瓶口配有一定厚度的棉花或多层纱布等过滤介质，以杜绝外
界空气中的杂菌或杂质进入瓶内。瓶外的氧气通过过滤介质，一定有传递阻力。Hara采用不同物质 的瓶塞，在转速为210r/min, 偏心距为3.5cm的摇瓶机上，29-30 0C下进行试验，采用外界氧扩散进入 取代空瓶中CO2的方法，测定氧透过瓶塞的氧传递系数(KC) O2(cm3/min)。结果见下页图。
第十五章 发酵过程的实验室研究、中试和放大
(Research in Lab. and Scale up) 第一讲
一.实验室研究 二.微生物摇瓶与罐培养的差异和发酵规模改变的影响（上）
第10章 发酵过程的优化和放大
[2*(5.6+5.6+4 [2*(1+2+2)/3]- [2*(162+162+3 0.3074 )/3]-4=6.13 1=2.33 03)/3]-303=115 4.9 1.5 224 0.3804 4.4 2.8 266 0.3420
四、应用
为了更好地理解和说明生物过程优化的方法,下面以 为了更好地理解和说明生物过程优化的方法 下面以 我们的研究结果为例进一步说明。 我们的研究结果为例进一步说明。 我们根据代谢控制育种理论，利用理性育种技术， 我们根据代谢控制育种理论，利用理性育种技术，以 黑曲霉ATCC2660作为出发菌株，经过紫外与亚硝基 作为出发菌株， 黑曲霉 作为出发菌株 胍联合诱变， 胍联合诱变，筛选到一支抗叠氮化钠的高产核糖核酸 酶的突变株SA-13-20。首先利用单次单因子法，确定 酶的突变株 。首先利用单次单因子法， 了其发酵培养基为: 葡萄糖30g/L，玉米粉 了其发酵培养基为 葡萄糖 ，玉米粉120g/L, NH4NO32g/L, K2SO40.087g/L, pH2.2。 。 为了确定培养基各成分和培养条件对发酵产酶的影响， 为了确定培养基各成分和培养条件对发酵产酶的影响， 利用Plackett-Burman设计对总碳量、葡萄糖与玉米 设计对总碳量、 利用 设计对总碳量 粉比例、 起始pH和接种量等 粉比例、NH4NO3量、K2SO4量、起始 和接种量等 6个因子进行了研究。实验方案及其结果见下表。 个因子进行了研究。 个因子进行了研究 实验方案及其结果见下表。
4. 优化
对回归方程求导， 便可得到其极值点， 对回归方程求导 ， 便可得到其极值点 ， 即最优化的 条件。 条件。 各因子的响应面等高图能够直观地描绘各因子相互作 用的情况。如等高线为圆形， 用的情况。如等高线为圆形，则说明因子间的相互作 用可忽略；若为椭圆或马鞍形， 用可忽略；若为椭圆或马鞍形，则因子间的相互作用 对考察目标是非常明显的。 对考察目标是非常明显的。 另外，响应面等高图同样能求出最优化条件。 另外，响应面等高图同样能求出最优化条件。
(同等学力加试) 微生物学专业 发酵工程
湖南师范大学硕士研究生入学考试自命题考试大纲考试科目代码：考试科目名称：发酵工程一、考试形式与试卷结构1)试卷成绩及考试时间百分制满分为150分，考试时间为180分钟。
2)答题方式答题方式为闭卷、笔试。
3)题型结构⑴单选题（10题，每题1分，共10 分）⑵填空题（5题，每空 1 分，共25 分）⑶名词解释题（6题，每题5分，共30 分）⑷答题（5题，每题10-15分，共65 分）⑸论述题（2题，每题10分，共20分）各类题目的特点及考试的目的⑴选择题。
是从一个问题的若干个答案中选出正确的答案。
这类题目是把正确答案与相近的答案或似是而非的答案并列，它具有简单、明确、客观的特点。
用这类题目进行考试的目的，主要是考查学生对基本知识理解的准确程度。
⑵填空题。
一般来说有填写内容较少，而且十分准确，并具有答案的唯一性特点。
这是比较容易得分的题目。
所填写的内容多半是一些基本原理的结论、条件；名词概念的简单解释；表示一定意义的公式、字母；客观规律等。
用这类题目进行考试的目的，主要是考察学生对一些基本知识是否做到少而精地理解、掌握和记忆。
⑶名词解释，一般来说，具有解释内容较少，并且答案比较规范的特点。
这是比较容易得分的题目。
凡是解释内容较多，其意思又可以用多种方式表示的名词，一般不作名词解释考试，但这类名词可以作为其它类型的题目考试。
用这类题目考试的目的，是要考察学生对基本概念理解和掌握的程度。
以上三类题目均为小题目。
⑷问答题，属于中型题目，主要是要求学生简要地回答出一些基本原理。
用这类题目进行考试，主要是考察学生对基本原理理解和掌握的程度。
⑸论述题，要求根据相关定律、公式，对所给出的数值或量进行运算，得出正确答案。
主要是考察学生基本的计算技能以及一定的推理判断力和逻辑思维能力等。
答题要求同学们拿到考卷以后，首先要把各类题目的意思和要求弄清楚，切记看错题目，所答非所问，对于各类题目的回答要求如下：⑴对于选择题要求选择正确，不可多选或漏选⑵对于填空题，要求填写要准确，无需解释。
发酵工程知到章节答案智慧树2023年信阳农林学院
发酵工程知到章节测试答案智慧树2023年最新信阳农林学院第一章测试1.20世纪前，人类利用传统的微生物发酵过程来生产酒、醋、酱的过程属于发酵工业的（）。
参考答案:原始天然发酵阶段2.发酵技术发展的第一转折时期是指（）。
参考答案:纯培养技术3.发酵过程产生的二氧化碳可以对外排放。
（）参考答案:错4.青霉素的工业化生产打破了以厌氧发酵为主的工艺，实现了深层通风培养的划时代飞跃。
（）参考答案:对5.微生物药物是由微生物生命活动过程产生的低微浓度下具有生理活性的初级代谢产物及其衍生物。
（）参考答案:错6.发酵工程由（）三部分组成。
参考答案:下游工程;中游工程;上游工程7.根据微生物发酵操作方式的不同，将发酵方式分为（）。
参考答案:分批发酵;连续发酵;补料分批发酵第二章测试1.下列属于次级代谢产物的是（）。
参考答案:抗生素2.分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期：菌体生长期、产物合成期和（）。
参考答案:菌体自溶期3.酶活性调节可通过改变代谢途径中一个或者几个关键酶的活性来调节代谢速度调节方式。
（）参考答案:对4.协同反馈抑制指的是当某一终产物的合成需要两种前体时另一前体物的大量存在可能激活受终产物抑制的酶的活性。
（）参考答案:错5.诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。
（）参考答案:对6.酶活性调节方式有（）。
参考答案:前馈作用;同工酶调节;终产物抑制;补偿性激活7.反馈抑制有哪几种类型（）。
参考答案:协同反馈抑制;累积反馈抑制;增效反馈抑制;顺序反馈抑制8.合成次级代谢产物的特征有（）。
参考答案:次级代谢产物具有种特异性;次级代谢产物是菌体特定生长阶段的产物;次级代谢产物不少是结构相似的混合物9.次级代谢产物生物合成中的主要控制机制有（）。
参考答案:反馈调节;酶合成的诱导调节;磷酸盐调节及其机制;菌体生长速率的调节10.微生物调节代谢的主要方式有酶合成的调节和酶活性的调节。
参考答案:对11.诱导作用的分子机制可用操纵子学说来解释。
第十一章发酵的实验室研究中试放大
3.放大或缩小的方法
（1）单位体积所输入的功率为基础： 目前的放大或缩小的发酵生产多采用几何相
似发酵罐和单位体积功率相等来进行操作。 在青霉素发酵放大中：采用中试罐试验取得产 物浓度和输入功率的关系曲线，在一定单位体 积输入功率下所得效价最高，按照此功率放大 到一定倍数的发酵罐中。
（2）保持相等的K Lα或溶解氧为基础
的环境条件应用到中小型发酵设备中，以保证 在中小设备中进行的研究结果能够在大规模发 酵生产中重现出来
放大（scale up）: 将实验室和中试车间所取
的的试验结果应用到工业性的大规模发酵生产 中去的转移过程。
前提:保证转移过程中的物理因素和化学因素完全相同
1.放大的过程
实验室阶段是得到新菌株或摸索新工艺；
7.04 × 8.79 ×
10-7
10-7
10.55 × 10-8
21.9
25.0 29.2
27.4
37.3 42.2
37.5
41.9 43.5
2.CO2浓度
摇瓶培养一般情况下式常压，发酵罐则处于正 压范围，因而CO2的溶解度较大，对整个发酵过程 （特别是次级代谢过程）的影响不同（第八章）。
3.菌丝损伤
发酵液体积大；菌体繁殖代数越多；变异菌株出现 几率越大；发酵结果差异就会变大。
（2）培养基灭菌差异：
分批灭菌：分为预热期，维持期和冷却期。整个灭 菌时间较长，培养基成分及其比例变化几率增大。 连续灭菌：灭菌时间较短，对培养基成分要求严格， 否则灭菌效果不好。
（3） 通气搅拌差异：
发酵放大过程中单位体积消耗的搅拌功率， 搅拌浆叶尖线速度（影响菌体损伤），以及 发酵液混合均匀程度都会发生变化。
均匀设计表U7(76)
第八章 发酵过程的放大
“发酵放大是一门艺术，而不是一门科学” —— A.E.Humphrey
就目前为止，生化放大过程一直是一 个难题。
虽然很难用理论分析，但是并不是放大 问题没解决就不能放大，反应器的不足 可以通过工艺及控制手段来弥补，工艺 的欠缺也可以通过改善反应器型式来修 正。
主要内容
2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰 直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时 的菌株损失和菌种的适应性等。
3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面 直接接触。发酵罐是和空气混合接触， 考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。
4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控 制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发 酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决 的。
➢ 第一节 发酵放大的原则及方法 ➢ 第二节 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发
酵罐放大 ➢ 第三节 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
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
第一节 发酵放大的原则及方法
2.供氧方面的阻力
于氧：是k1气难1 膜溶；气体：，气所k12 液以界面即；液膜：处液1的膜k13阻；力是：主发要酵k14阻液力；来由
源；
k3
3.耗氧方面的阻力
传递k：；18 胞k15 外：液为膜耗；氧方：面k菌6、的k1k丝67 阻丛力；主要：来细源k1胞7 ；膜另；外
：胞内 受菌
体生理及培k养8 基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。
以kLa为基准的比拟放大法
有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
第八章 发酵中式比拟放大
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
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。 ①按雷诺系数Re相等放大 ②单位体积液体消耗功率P0/V相等放大
③按体积溶氧系数相等放大 ④搅拌器末端线速度相等放大 ⑤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。
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。
22_中试放大
tM = (nD )
2 i
2 3
g
1 6
D H
1 2 i
1 2 L
D
3 2 i
对于几何相似的反应器t 对于几何相似的反应器tM1=tM2时，从上式可以得 出： n2 D1 1 4 = ( ) n1 D2
六、恒定单位培养液体积的空气流量放大
单培养液体积在单位时间内通入的空气量，即：
V V M = Q V
四、新药研究的基本步骤
1. 实验室研究阶段
① 改掉不符合工业生产的合成步骤和方法； ② 用工业级原料代替化学试剂； ③ 原料和溶剂的回收套用； ④ 安全生产和环境卫生。
2. 小量试制阶段
3. 中试生产阶段
① 考核小试提供的工艺路线是否合乎工业生产； ② 验证小试提供的工艺路线是否成熟、合理、经济； ③ 在考核和验证过程中，获取并积累试验数据； ④ 根据研究结果制定质量标准和分析鉴定方法； ⑤ 提出三废处理措施，进行经济核算，提出生产成本； ⑥ 制定完整的工艺规程、安全操作规定。
第一节 发酵中试比拟放大的目的和任务
一、发酵中试比拟放大的条件
① 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，提纯方法可靠） ② 取得了多批次稳定详实的小试实验数据，完成 物料衡算。 ③ 确定了各阶段的检测分析方法，并建立了质量 标准。 ④ 完成了发酵相关设备的耐腐蚀实验，具备安全 生产保证。
第三节 通气发酵罐的放大设计
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。
H1 H2 = =常数 D1 D2
H1 =m H2
1 3
V2 D2 = =m V1 D 1
28-发酵过程的实验室研究、中试和放大
回流口；25.窥镜
搅拌器和挡板
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
径向流（叶片对液体施以径向离心力，流体 流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰 到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流 动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下 两个循环流动。）
3、统计学方法
一般实验 正交试验 均匀实验 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
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 2 3 动环与静环之间的密封 静环与压盖之间的密封 动环与轴之间的密封
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。
♣ 30-150L罐：不锈钢罐，3级搅拌，六平叶/弯叶，一般
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。
全面介绍工艺研发：小试、中试、放大
全面介绍工艺研发：小试、中试、放大什么是工艺过程工艺过程的概念：在生产过程中凡直接关系到化学合成反应或生物合成途径的次序，条件（包括配料比，温度，反应时间，搅拌方式，后处理方法和精制条件等）通称为工艺条件。
制药通行惯例是：1、小试阶段——开发和优化方法2、中试阶段——验证和使用方法3、工艺验证/商业化生产阶段——使用方法，并根据变更情况以决定是否验证4、批量的讨论备注：中试批量应该不小于大生产批量的十分之一（√）大生产批量不得大于中试批量的十倍（×）小量试制阶段对实验室原有的合成路线和方法进行全面的、系统的改革。
在改革的基础上通过实验室批量合成，积累数据，提出一条基本适合于中试生产的合成工艺路线。
小试阶段的研究重点应紧紧绕影响工业生产的关键性问题。
如缩短合成路线，提高产率，简化操作，降低成本和安全生产等。
小试阶段的主要任务：1.工艺：反应参数，工艺过程后处理方式2.物料: 物料属性, 物料控制3.结构确证小量试制阶段的任务：1、研究确定一条最佳的合成工艺路线：一条比较成熟的合成工艺路线应该是：合成步骤短，总产率高，设备技术条件和工艺流程简单，原材料来源充裕而且便宜。
2. 用工业级原料代替化学试剂：实验室小量合成时，常用试剂规格的原料和溶剂，不仅价格昂贵，也不可能有大量供应。
大规模生产应尽量采用化工原料和工业级溶剂。
小试阶段应探明，用工业级原料和溶剂对反应有无干扰，对产品的产率和质量有无影响。
通过小试研究找出适合于用工业级原料生产的最佳反应条件和处理方法，达到价廉、优质和高产。
3. 原料和溶剂的回收套用：合成反应一般要用大量溶剂，多数情况下反应前后溶剂没有明显变化，可直接回收套用。
有时溶剂中可能含有反应副产物，反应不完全的剩余原料，挥发性杂质，或溶剂的浓度改变，应通过小试研究找出回收处理的办法，并以数据说明，用回收的原料和溶剂不影响产品的质量。
原料和溶剂的回收套用，不仅能降低成本，而且有利于三废处理和环境卫生。
生物制药工艺员职业标准
生物制药工艺员职业标准/l.php?id=1091.职业概况1.1 职业名称生物制药工艺员。
1.2 职业定义从事生物制药生产工艺的人员。
1.3 职业等级本职业共设三个等级，分别为：初级（国家职业资格五级）、中级（国家职业资格四级）、高级（国家职业资格三级）。
1.4 职业环境室内、常温。
1.5 职业能力特征手、脚灵活，色、味、嗅、听等感官正常，具有一定的观察、判断、理解、计算、表达能力和动手能力。
1.6 基本文化程度中专以上学历（或同等学历）。
1.7 培训要求1.7.1 培训期限全日制职业学校教育，根据培养目标和教学计划确定。
晋级培训期限：初级不少于300标准学时；中级、高级不少于200标准学时。
1.7.2 培训教师培训初级、中级生物制药工艺员的教师，应具有本职业高级职业资格证书或相关专业中级以上专业技术职务任职资格；培训高级生物制药工艺员的教师应具有本专业高级以上专业技术职务任职资格。
1.7.3 培训场地设备标准教室，必要的教学及实验设备、实训器材、实训场地。
1.8 鉴定要求1.8.1 适用对象从事或准备从事本职业的人员1.8.2 申报条件—初级（具备以下条件之一者）（1）具备４年以上本工种工龄。
（2）经本职业初级正规培训达规定标准学时数，并取得毕（结）业证书。
—中级（具备以下条件之一者）（1）具备７年以上本工种工龄。
（2）取得本职业初级职业资格证书后，连续从事本职业工作３年以上，经本职业中级正规培训达规定标准学时数，并取得毕（结）业证书。
（3）具有中专以上生物制药相关专业毕业证书，从事本职业２年以上。
（4）具有中专以上药学相关专业毕业证书，从事本职业３年以上，经本职业中级正规培训达规定标准学时数，并取得毕（结）业证书。
—高级（具备以下条件之一者）（1）具备１０年以上本工种工龄。
（2）取得本职业中级职业资格证书后，连续从事本职业工作４年以上。
（3）取得本职业中级职业资格证书后，连续从事本职业工作２年以上，经本职业高级正规培训达规定标准学时数，并取得毕（结）业证书。
8第八章 发酵过程的放大
3.菌丝受机械损伤的差异
摇瓶培养：菌体只受液体的冲击或沿着 瓶壁滑动影响——机械损伤很轻； 发酵罐培养：受搅拌叶的剪切力、搅拌 时间的长短等——机械损伤程度远远大 于摇瓶培养。
搅拌增加菌体受损伤的程度
菌体内核酸类物质的漏出率与搅拌转速、 搅拌持续时间、搅拌叶的叶尖线速度、 培养液单位体积吸收的功率及Kla值成 正比关系
一、从摇瓶取得发酵罐放大有用参数的方法及原 理 二、 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发酵 罐放大 三、 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段
实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
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
第一节、从摇瓶取得发酵罐放大有用参数 的方法及原理
上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。 生物反应醪液多属与时间无关的粘性流体范围（表 5-1）。
f ( )
表5-1 与时间无关的纯粘性流体的流变特性
类别 牛顿型 流变性方程 表观粘度a 恒定不变 a 示 例
假塑型 K n ,0 n 1 随剪切率的增加而 减少 a K n1 (幂律) 膨胀型 (幂律) 平汉塑型
₰ 丝状菌发酵中，高粘度发酵液的表观粘度明显 随剪切速率的不同而变化。 ₰ 同一反应器中，离搅拌器远近位置的不同，流动 特性明显不同。 ₰ 一般丝状菌的发酵液呈假塑性流体、胀塑性流 体等非牛顿性流体特性，并且发酵液的流动特性 还随时间而变化。 ₰ 微小颗粒悬浮液的粘度是多种因素的函数，除 依赖菌体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、 颗粒的变形度、表面特性等因素影响。霉菌或放 线菌等的发酵中，发酵液的流动特性常出现大幅 度变化。
发酵工艺原理教学大纲
发酵工艺原理教学大纲教学大纲?生命科学与生物制药学院《发酵工艺原理》教学大纲(供生物技术专业生物制药方向使用)一、课程性质、目的和任务发酵是一门古老而又现代的工程技术，发酵工艺学是研究发酵产品(包括抗生素、酶制剂、基因工程重组蛋白等医药产品)生产过程中技术步骤和操作流程及其相关理论的一门课程。
该课程是生物技术(生物工程)学科知识体系的一个重要组成部分。
根据本科教学加强基础、注重素质、整体优化的原则，本课程理论教学旨在为学生讲解发酵产品生产的一般过程、单元操作、基本原理和基本方法及发酵过程的优化控制，实验课的教学旨在使学生掌握相关的发酵技术。
该课程的学习将有助于提高学生分析、解决发酵生产问题的能力以及动手能力，为学生毕业后在生物制药以及相关行业中的发展打下坚实的基础。
二、课程的基本要求本课程分为掌握、熟悉、了解三种层次要求。
掌握的内容要求理解透彻，能在本学科和相关学科的学习工作中熟练、灵活运用其基本理论和基本概念。
熟悉的内容要求能熟知其相关内容的概念及有关理论，并能适当应用。
了解的内容要求对其中的概念和相关内容有所了解。
通过本课程的学习，使学生掌握菌种诱变和筛选、微生物代谢产物的生物合成与调控、培养基的配制、灭菌与除菌、生产菌种的制备和保藏、发酵过程的控制、发酵动力学，熟悉发酵过程检测与自控、发酵的实验室研究、中试及放大，了解发酵过程经济学。
考试内容中掌握的内容约占70%，熟悉、了解的内容约占25%，5%左右的大纲外内容。
本大纲的参考教材是全国高等医药院校药学类教材、教育部普通高等教育“十五”国家级规划教材《发酵工艺学》第一版(白秀峰主编，北京，中国医药科技出版社，2003，第1版)。
三、课程基本内容及学时分配发酵工艺原理教学总学时数为90学时，其中理论为54学时，实验为36学时。
共13章。
本课程有2部分，第一部分从第1章到第12章，主要内容为发酵工艺原理的基本概念和基本理论;第二部分为第13、14章，主要内容为案例讨论和研究进展的介绍。
实验室放大
氧的传递速率在一定程度上与培养基的装量
呈反比关系，装量愈大，氧的传递速率就愈 小反之就大。
这可由表面积的变化来解释：
当装料体积减少，瓶中的比表面积就增加，反之
就降低，因而影响氧的传递。 在实际工作中，往往通过试验来求得培养基的最 适装入量。 改变摇瓶的形状或在瓶中不同位置上增加挡板， 氧的传递速率都可得到提高，平底摇瓶的氧传递 速率比圆底高，但加挡板可产生泡沫，表面泡沫 反而会降低气体交换速率，所以较少使用。
微生物过程的工业研究，有各种大小不同 的试验规模，如何使小型规模试验所取 得的结果在大生产规模上能得到重现， 是一个很重要的课题。 为此，必须使大、小规模实验中的 菌体所处的外界环境能保持完全一致。
Байду номын сангаас
放大过程所必需的前提是在大型设备和小 型设备中的菌体处的整个环境条件，包 括化学的因素（基质浓度、前体浓度等） 和物理因素（温度、粘度、功率消耗剪 应力等）必须是完全相同的，这样才能 构成这两种规模产物积累类型为相同性.
实验室研究
实验室研究 一.实验设备 微生物药物的发酵，大多为需氧发酵，在 实验室有气体自然交换的摇瓶发酵和强制 通气的发酵罐发酵，前者需要摇瓶机，或 者需要容量大小不同的发酵罐。
摇瓶机有往复式和旋转式两种，摇瓶有250、
500、1000mL的，还有4L大的摇瓶，有时为增 加实验数量还可以使用50ml的摇瓶或更小的试管。 往复式摇瓶机的往复频率为80—120次/min冲程 为8—12cm，适用于培养细菌和酵母这样的单细 胞菌体，用于培养丝状菌，则在培养基表面上往 往形成固体菌膜。
三.实验室研究和统计学方法
实验室研究常常需要研究多种因素的影响，需要
有良好的实验方案，才能在有限的时间内获得可 靠的结果，为放大生产提供依据，如培养基浓度， 温度，PH、溶氧等。 因此常采用统计设计学的方法来进行最佳化条件 的考察试验，一般采用正交设计法。更简法的是 用 “均匀设计法”
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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。
♣ 30-150L罐：不锈钢罐，3级搅拌，六平叶/弯叶，一般
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）
特点：剪切作用和混合效果很差
轴向流搅拌器的型式和特点
轴向流的代表
螺 旋 桨 搅 拌 器
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，不利于溶氧，只 用于培养基的配制，料液的混合。
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。
W ( 0 . 1 ~ 0 . 12 ) D ( ) Z Z 0 . 5 D D
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
43
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
（2）搅拌轴：
有上悬式和下伸式两种
轴承结构
作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响 转动
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。
1- 轴 2- 填料压盖 3- 压紧螺栓 4- 填料箱体 5-铜环 6- 填料
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
型式 平直叶 弯叶 轴向流 + ++ 径向流 +++ ++ 剪切 +++ ++ 混合 + ++ 溶氧 +++ ++ 输出 +++ ++ 单细胞 发酵 菌丝体 发酵 应用
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 钢圆板，防空气冲击
环 式 易堵。
5 传动装置（1）变速装置
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。
P0
N
3
D5
是一个无因次数，可定义为功率准数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。
NP
单位体积液体所受外力 单位体积液体的惯性力
P0 / V ma / V
式中 ω：涡轮线速度 a：加速度 V：液体体积 m：液体质量
P0
N d
P0
3 5
(1)计算ReM ReM=5.25× 104 (2)由NP~ ReM查NP ， NP =4.7 (3)计算P0 P0=NPD5N3ρ= 8.07（千瓦） (4)计算Pg
Pg 2.25(
P02 ND 3 0.39 Q 0.08
ห้องสมุดไป่ตู้
)
10
3
6.55(千瓦)
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。
（三）实验室研究和统计学方法
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
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；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
S总
W v
V——冷却水流速
W——冷却水体积流量
S总 d总 0.785
罐体的尺寸比例（重点）
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 通用发酵罐 通常取值 搅拌器直径 d =1/3D 罐筒身高 H0 =2 D 挡板宽度 B =0.1D 搅拌器间距 S=2d 下搅拌器距底间距 C= d 挡板与罐壁的距离 （1/5-1/8）B 系数范围 1/2－1/3 1.7－3 1/8－1/12 1.5－2.5 0.8－1.0
回流口；25.窥镜
搅拌器和挡板
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
径向流（叶片对液体施以径向离心力，流体 流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰 到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流 动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下 两个循环流动。）
2.2 自吸式发酵罐
将 气 体 吸 入 。
液 体 甩 出 ， 形 成 内 部 真 空 ，
转 子 的 作 用 ： 将 转 子 内 的
打体 定 碎混 子 ，匀 的 促， 作 进甩 用 溶出 ： 氧， 将 。将 气 大体 气与 泡液
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。
HL：装料的液面高度。 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。
25
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
K(
d 2 N m
)
N 3 D 5 是一个无因次数，称为 功率准数 NP 。
d 2 N
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ReM＜10时，液体为层流状态，m=-1；
当ReM＞104时，液体为湍流状态， m=0；
下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。 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。
3，通气液体机械搅拌功率的计算
迈凯尔的修正关系式
Pg 2.25(
P02 ND 3 Q
0.08
)
0.39
10
3
计算举例
某细菌醪发酵罐 罐直径T＝1.8(米) 圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮 罐内装四块标准挡板 搅拌器转速N＝168转／分 通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量) 罐压P＝1.5绝对大气压 醪液粘度μ＝1.96×10-3牛· 秒／米2 醪液密度ρ＝1020公斤／米3 要求计算Pg
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.
多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数＝K，查图得Np 。
ReM＞104，达到充分湍流之后
P0=NPD5N3ρ
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2D， 对牛顿型流体可取2.5~3.0D；