发酵罐的比拟放大解读
第八章发酵罐比拟放大
K
La
Q VL
H
2 3
L
其中， Q 为操作状态下的通气流
量， m 3 / min ；
H
为液柱高，
L
m ； V L 为发酵液体积，
m 3；则：
K L a 2 K L a 1
Q VL
H
2
L
2 3 2
Q VL
1 H
L
D 3
1
g g
2 1
D D
2 1
3
7
又因：
g
vvm VL
pD 2
vvm
p
D
1
vvm vvm
2 1
g g
2 p2D1 1 p1D 2
D D
2 1
3 p2D1 p1D 2
2
D D
1 2
3
p2 p1
8
第六节固体通风培养设备
啤酒生产大麦发芽设备（过程通风） 麸曲培养设备
9
P 01
N
P
n
3 1
D
5 i1
P 02
N
Pn
3 2
D
5 i2
V1
D
3 1
D
3 i1
V2
D
3 2
D
3 i2
5
n
3 1
D
2 1
n
3 2
D
2 2
2
n2
n 1
D1 D2
3
以上由单位体积不通风时搅拌功率相等、几何 相似放大，推导求出生产发酵罐的转速，并知： 发酵罐越大转速越低。
6
KLa相等放大
有的文献提出：
D
2 1
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。
第七章发酵罐的比拟放大PPT课件
高位塔式发酵罐
10
3、 按容积分类
❖ 500L以下的是实验室发酵罐 ❖ 500-50000L是中试发酵罐 ❖ 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
❖ 分批发酵和连续发酵
11
四、 机械搅拌发酵罐
（一）、 基本要求： 1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的压力 3）搅拌通风装置 4）足够的冷却面积 5）罐内要减少死角 6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露
12
标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.7-4 d/D=1/2-1/3 W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2
高氧的传质效率 ❖ 使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮
状态 ❖ 使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，
希望以径向液流为主 ❖ 在搅拌轴上配置多个搅拌器
18
轴向式 搅拌器
径向式 搅拌器
19
4) 档板
❖ ※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧速
率 ❖ 从液面至罐底 ❖ 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防
第七章 发酵罐的比 拟放大
1
发酵设备
❖ 什么是发酵设备？包括那些设备？ ❖ 种子制备设备 ❖ 主发酵设备 ❖ 辅助设备（无菌空气和培养基制备） ❖ 发酵液预处理设备 ❖ 产品提取与精致设备 ❖ 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
2
❖ 主发酵设备或称为发酵罐 ❖ 是发酵工程中最重要的设备之一
3
5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等
第五章、发酵罐的设计与比拟放大
两个例外 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时， 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时 ，营养物 从油滴表面扩散的速度对生长限制， dX/dt为常数 为常数， 从油滴表面扩散的速度对生长限制 ， dX/dt 为常数 ， 从而显示线性生长。 从而显示线性生长。 在某些情况下，丝状微生物的生长速度也不符合指 在某些情况下， 数生长方程。由于这些微生物进行顶端生长， 数生长方程。 由于这些微生物进行顶端生长，营养 物在细胞组织中扩散， 物在细胞组织中扩散， 生长速度符合分数级反应速 度公式(如立方根生长) 度公式(如立方根生长)。
(二)、放大方法 1、几何尺寸放大 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等， 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等，一般是根 据几何相似原则放大的。大设备的体积V 据几何相似原则放大的 。 大设备的体积 V2与小设备 的装料体积V 之比，称为体积放大倍数。 的装料体积 V1之比， 称为体积放大倍数 。 在放大过 程中，一般采用大、小反应器直径之比D 程中，一般采用大、小反应器直径之比D2/D1，并定 义为放大比。在机械搅拌反应器中，若放大时几何 义为放大比。 在机械搅拌反应器中， 相似， 则放大比还可用搅拌器直径之比D 相似 ， 则放大比还可用搅拌器直径之比 Di2 ／ Di1 来 代替。 代替。 因：V∝D3 则：D2/D1 = Di2／Di1 = (V2/V1)1/3
发酵罐的比拟放大
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
第四章发酵罐的比拟放大
F[S]0
F[S]t
也可写为(2) 式
1、零级反应：酶促反应速率与底物浓度无关。 2、一级反应：反应速率与底物浓度的一次方成 正比。即酶催化A→B的过程
二、单底物酶促反应动力学
1、米氏方程 根据“酶-底物中间复合体” 的假设，对酶 E催化底物S生成产物P的反应S→P，其反 应机制可表示为 k+1 k+2 E+S ES E+P k-1
1 H1 m3 H2
V2 D2 m V1 D1
1 D1 m3 D2
3
（二）以单位体积液体中搅拌功率P0 /VL 相等的准则进行反应器放大
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 P0/VL ＝ 常数 1. 对于不通气的搅拌反应器 2. 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
对于球形固定化酶颗粒的内扩散效率因子有
rin 颗粒内的实际有效反应速率 in 颗粒内无浓度梯度时的反应速率 r0
酶反应器: 酶为催化剂进行生物反 应的场所。
游离酶反应器、固定化酶反应器 （分：固定化单一酶、复合酶、细胞 器、细胞等形式）
酶反应器及其操作参数
酶反应器的分类
型式名称 操作方式 分批、流加 说明 靠机械搅拌混合
，m3/（m3· min）
操作状态下空气的线速度
ug 60Q0 (273 t ) 9.8 10 4
ug
，
m/h。
，m3/（m3· min）
4
Di 273 pL
27465.6 (VVM )(273 t )VL Di 2 pL
生化工程第六章-发酵罐的比拟放大 [自动保存的]
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• 反应器的自动检测和控制系统使反应器在最佳状 态下操作成为可能，近年来获得广泛重视，随着生 物工程的迅速发展，自动检测和控制系统将会在生 物工程中发挥越来越重要的作用。
生长cell） • 各种类型的反应器和各种生物催化剂组
合，形成各种系统可供选择。
Batch operation间歇反应
Continuous operation连续操作
Semi-continuous or fed-batch operation半连续操作
五、生物反应器的种类
5.1 机械搅拌式生物反应器
第三章 工业生化反应器和发酵罐的比拟放大 工业生化反应器
Air heat
Raw materials Bioreactor Downstream process
Biocatalyst process control Product •在生物反应过程中，生物反应器具有中心 •的作用，它是连接原料和产物的桥梁。
机械搅拌自吸式反应器
5.2 气升式生物反应器
气升塔式生物反应器
5.3 动植物细胞培养反应器
• 动植物细胞的培养是指动物或植物细胞 在体外条件下进行培养增殖，此时细胞 虽然生长与增多，但不再形成组织。
• 许多要重要价值的生物制品，包括重要 的疫苗、诊断试剂、单克隆抗体、干扰 素、生物碱、甾体化合物等，必须借助 于动植物细胞的体外培养来实现。
（3）动物细胞微载体悬浮培养反应器
• 用微珠做载体，使单 层动物细胞生长于微 珠表面，并在培养液 中进行悬浮培养。这 种培养方式是将单层 培养和悬浮培养相结 合，这是大规模动物 细胞培养的最有前途 的方法。
生化工程 第六章 发酵罐的比拟放大
得 kd∝ (N2.73d2.01/ωg0.03)0.56ωg0.7N0.7 kd∝ N2.23d1.13ωg0.68 依据 (kd)2= (kd)1 相等原则放大，则： 相等原则放大， N2/N1 = (d1/d2)0.51[(ωg)1/(ωg)2]0.30 P0 2/P0 1 = (d2/d1)3.47[(ωg)1/(ωg)2]0.9
3、以kLa值相同的原则放大 根据文献报导， kLa∝(Qg/VL)HL2/3，其中Qg为操 ，其中Q 作状态下的通气流量，V 为发酵液体积，H 作状态下的通气流量，VL为发酵液体积，HL为液柱 高度。则 [kLa]2/[kLa]1= (Qg/VL)2(HL)22/3/[(Qg/VL)1(HL)12/3]=1 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (HL)12/3/ (HL)22/3=(D1/D2)2/3 (3) 因为Q 因为Qg∝ωgD2， V∝D3 故 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (ωg/D)2/ (ωg/D)1 (ωg/D)2/ (ωg/D)1 =(D1/D2)2/3 (ωg)2 / (ωg)1 = (D2/D1)1/3 又因ω 又因ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ∝ (VVM)D/P 故 (VVM)2 / (VVM)1 = (D1/D2)2/3 (P2/P1) (4)
注：下标1为实验罐，下标2为生产罐
二、空气流量放大 空气流量表示方法： 空气流量表示方法： （1） 单位体积培养液在单位时间内通入的 空气量（以标准状态计）， ），即 空气量（以标准状态计），即 Q0 / VL = VVM m3/(m3.min) 操作状态下的空气流量 Qg m3/min （2）操作状态下的空气直线速度 ωg， m/h ωg= Qg (60)/(π/4·D2)
Hale Waihona Puke 2.按几何相似原则确定 按几何相似原则确定20m3罐主尺寸 按几何相似原则确定 取H/D=2.4 , D/d=3, HL/ D =1.5 有效容积60%，若忽略封底的容积， ，若忽略封底的容积， 有效容积 π/4×D2×1.5D=20×0.6 × × D=2.16m， d=0.72m ， 采用两只园盘六弯叶涡轮
发酵工程_韩北忠_第八章发酵中试的比拟放大
三 比拟放大和它的基本方法
• 首先必须找出表征着此系统的各种参数， 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， 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， 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。 常用的基本方法之一。
• （一）恒周线速度 丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖端 线速度的影响较为明显。如果仅仅保持kLa相 等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在 P /V Po/V相等的条件下，D/T比越小，造成的剪率 越大，也有利于菌丝团的破碎和气泡的分散， 这对于产物抑制的发酵有重要意义。所以，对 于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为 是比拟放大的基准之一。
其他的比拟放大方法
其他的比拟放大方法
• （二）恒混合时间 混合时间的定义是把少许具有与搅拌 罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两 者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。 混合时间主要与发酵液的粘度有关，通常， 低粘度的液体混合时间要少于高粘度的液体。 另外，放大罐的体积越大，混合时间就越长。
其他的比拟放大方法
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。
Hale Waihona Puke • 例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升 罐中进行生产。—淀粉酶试验， 获得良 好成绩。放大至20立方米罐。
按照计算p来计算发酵罐的放大原则三四恒定剪切力恒定叶端速度放大剪切力与搅拌桨叶端速度成正比在恒定体积功率放大时一般维持n不变n为搅拌桨转速d为搅拌桨直径五恒定的混合时间t放大另外还有人主张考虑nre及动量因子来放大等这里就不一一介绍了
第4章 发酵罐的比拟放大
2020/7/27
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（二）机械搅拌发酵罐的比拟放大 1.放大依据准则的选择
对于机械搅拌通风发酵罐，搅拌功率和通风量都是影响 传质的重要因素，而发酵液的混合则主要决定于搅拌功 率，因而搅拌功率对发酵罐影响相对较大。故搅拌功率 放大严于通风量的放大。
✓体积溶氧系数KLa相等 ✓单位体积发酵液消耗功率P0/V相等
步骤
1）确定试验设备的主要参数，并试算kd值 2）按集合相似原则确定放大设备的主要尺寸
3）决定通风量
前3步如前
4）以P/V相等计算功率和转速。
5）验算放大后的kd
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生物反应器的比拟放大，到底以什么为基准呢？ 首先要从大量的试验材料中把握和找出影响生产 过程的主要矛盾，在着重解决主要矛盾的同时， 不要使次要矛盾激化。例如，单纯按照kLa相等 为准则放大的生物反应器，液体剪切力可能会上 升到剪切敏感系统不可接受的程度，投入生产， 就可使生产失败，必须注意不使这类情况出现， 为此往往或多或少地牺牲几何相似的原则。
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①按雷诺准数Re相等放大
n2/n1=(Di1/Di2)2=(D1/D2)2 在某些情况下可作为放大的依据
②按单位体积液体消耗功率P/V相等放大
P∝n3Di5 P/V ∝ n3Di2 若P/V相等，即 (n3Di2)1 = (n3Di2)2
n2/n1=(Di1/Di2)2/3=(D1/D2)2/3 上述功率P是不通气时的搅拌功率，它与通气情
(Q/V)2/(Q/V)1=(HL1/HL2)2/3=(D1/D2)2/3
大罐单位体积需要的通风量要比小罐的小得多。
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3. 搅拌功率放大 搅拌功率是影响溶氧最主要的因素，因而在机械
7-发酵罐的放大设计
7.3 发酵罐放大设计方法
一、以kLa为基准的比拟放大 在生物反应器的放大中，通常保持体积 氧传递系数(体积溶氧系数)的恒定。这巳 由需氧发酵的工业生产结果得到证实。 现在的主要问题是如何提供足够的氧。 虽然足够的氧供给并不意味着良好的混 合。
※发酵液的溶氧传质速率(OTR)
OTR=kl a c c 式中 kl a－以 c c 为推动力的 体积溶氧系数， 1/ h或1/ s; c－发酵液中溶氧浓度，mol/m3； c－相同温度和压强下 发酵液的饱和溶氧浓度，mol/m3 一般情况下 则 c 5％～10％c OTR 0.95kl a
7.4 发酵罐设计步骤
1、设计任务与要求 2、设计说明及计算 ⑴物料衡算及热量衡算、反应器尺寸； ⑵反应器的初步设计计算； ⑶发酵工艺改进规划； ⑷优化设计； ⑸有关改进设计的补充说明。
7.5 发酵罐设计时应该注意的几个问题：
1、培养系统的已灭菌部分与末灭菌部分之 间不能直接连通，与发酵罐相通的任何 连接都应蒸汽密封，防止死角、裂缝等； 2、某些部分应能单独灭菌； 3、尽可能采用全部焊接结构，尽量减少法 兰连接； 4、设备和管道易于清洗和维修； 5、反应器应保持正压。
第七章 发酵罐的放大设计
7.1 发酵罐设计的目标
1、严密的结构，较好的无菌条件，良好的液 体混合性能，较高的传质、传热性能； 2、产品的质量高、成本低，适合工艺要求； 3、好的过程控制，配套而又可靠的检测和控 制仪表，多样化、大型化和高度自动化。
7.2 发酵罐的设计依据
1、生物反应动力学，它是进行生物反应器定量 研究的基础； 2、流体的输送及混合，核心问题是流体之间动 量的传递、机械能的守恒和转化； 3、热量的传递，主要是考虑发酵热的传出及发 酵罐温度的控制； 4、物质的传递，主要有细胞内外物质的交换、 营养物到细胞的传递、氧从气泡到细胞的传递、 二氧化碳从细胞到气泡的传递。 （生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质 和传热。）
第五章_发酵罐的比拟放大
富积了CO2；罐压也应引起注意；如果气-液 间的质量传递快于轴向混合，会存在轴向上 的氧浓度梯度；CO2 的浓度也会带来问题， 特别是在反应器上部以及当反应器在高罐压 下运行时。
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
另外，氧的溶解度很低(10×l0-4)，在很短 的时间内(30 s)，细胞中氧的供给就会达到 临界值。在高粘度収酵液中，还会形成径 向梯度，叶轮周围氧传递速率高，应使其 他区域的微生物在氧消耗到临界值乊前循 环迚入叶轮周围区域。
混合特性
Hale Waihona Puke 控制检测装置占 无此影响 去一定空间
可不必考虑 需认真对待
换热系统
较易解决
较难解决
3
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
内容
一、以kLa（或kd）为基准的比拟放大 二、以P0/V相等为准则的比拟放大法 三、比拟放大的其他准则 四、収酵罐的比拟缩小
生物工程专业课程
生物工程专业课程
生 化 出于这种局限性，人们提出了速率限制和机 工 理分析方法，在此基础上得出这样的结论： 程 分步完成的仸何过程中，相对较慢的步骤将 第 成为整个过程的控制步骤。 五 章 用来评价収酵过程的物理特征一般包括混合 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
时间、剪切力、热量和质量传递。质量传递 収生在整个収酵液内，而热量传递仅収生在 热交换的边界层上。这样，就可以采用与过 程放大无关的方法(如用冷冻机代替冷却水或 者采用外部热交换器)来获得大型収酵罐所需 的热量，因此，一般不考虑热量传递的放大 准则。
5)单位体积液体的气体体积流量，Q/V 或v.v.m (L/(L· min))； 6)表观气体流速 vs； 7)混合时间； 8)叶轮 Re 数； 9)动量因子；
第一篇第六章 发酵罐的比拟放大
2. 罐体积 公称体积：是指罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。
底封头体积可从化工设计手册中查得。
（根据罐的形状、直径、 壁厚） 对于椭圆形封头体积：
1 V1 D hb D ha D (hb D ) 4 6 4 6
2 2 2
hb——椭圆封头的直边高度；
ha——椭圆短半轴长度，标准椭圆
—— 液体密度（kg/m2） n ——涡轮转数（r/s)
功率准数
μ ——液体粘度（N•s/m2 ）
R
em
m
D ——涡轮直径（m）
P0
为无因次数
2
NP
R
n D
3
5
搅拌雷诺数：
em
D n
功率准数NP是搅拌雷诺数Rem 的函数
雷诺数：Re =
du
d ——管道直径
流动总是层流型态; 外界条件有关，称作过渡区；
NP ≈4.7 NP ≈3.7
P0
∵
NP =
n
3
D
5
1——螺旋桨
3——圆盘弯叶涡轮
2——圆盘平直叶涡轮 4——圆盘箭叶涡轮
∴ p0 =
拌轴功率
NP ρn3D5
(w)
先算出Rem，可从图上查出NP，再由上式可计算出不通气时单只涡轮搅拌器的搅
（二）通气搅拌功率Pg 同一搅拌器在相同的转速下，通气与不通气时输入液体功率哪个低？ 通过实验， 通气时输入液体功率低，常见的解释是通气（从底部）使液体的重 度 降低。 pg 与 p0 以及通气量Q有何关系： 迈凯尔（Michel） 、福田秀雄等先后研究得经验公式：
所以发酵罐全体积为：
发酵工程发酵罐放大与设计解读
几何尺寸放大
放大倍数m指罐的体积增加倍数，即 ∵几何相似，∴ H1 H 2 D1 D2
m V2 V1
则
V2 V1
4
D2 2 H 2
4
D12 H1
4
D2 2 D2
4
D12 D1
( D2 )3 D1
m
∴
H2 D2 3 m
传热工程
产热Q1 V罐体积
传热Q2 A罐表面积
V↑，
A V
1↓
R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关
键。
3.发酵罐设计的基本要求
发酵罐能在无杂菌污染条件下长期运转。搅拌器轴 封严密，减少泄漏；结构紧凑，附件少；无死角， 内壁光滑；管道等尽可能焊接，少用法兰；可维持 一定正压；取样口易于灭菌，各部分能单独灭菌。
传质效果好（传氧性能好，KLa大） 。 有足够的冷却面积（传热性能好，冷却能力强）。
功耗低（传递效率高，节能）。
采用不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。
应有基本控制系统（如T、pH、甚至DO2）。 具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂）。 具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。 要求放料、清洗、维修等操作简便，劳动消耗低。 实验罐、中试罐应与生产罐有相似的几何形状，
5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr•℃
竖式蛇管(热交换强、蛇管设于罐内，不易清洁)
5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃ 竖式列管（排管）：
传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，适用于气 温较高，水源充足的地区。
三、通用式发酵罐的设计与放大
第八章发酵罐比拟放大
在几何相似前提下：
P01 P02 V1 V2
P01 NPn13D5i1
P02
N
P
n
3 2
D
5 i2
V1 D13 D3i1
V2
D
3 2
D3i2
n13D12
n
32D
2 2
2
n2
n1
D1 D2
3
以上由单位体积不通风时搅拌功率相等、几何 相似放大，推导求出生产发酵罐的转速，并知： 发酵罐越大转速越低。
μ1=μ2
Q1 Q2 V1 V2
Q1
4
D121
Q2
4
D222
V1 D13
V2 D32
1 2
D1 D2
通过以上推到，说明在几何相似前提下，通 风比相等，发酵罐越大，空罐截面气速越高，有 体积溶氧系数计算公式可知，大发酵罐溶氧比小 发酵罐溶氧效果好。
三、单位体积不通风时搅拌功率相等比拟放大
1
2 3 1
1 1
因：Q gD2，VL D3
g 2 g 1
1
D2 D1
3
又因：
g
vvmVL
pD2
vvmD
p
vvm 2 vvm 1
g 2 p2D1 g 1 p1D2
1
D2 D1Fra bibliotek3
D32 D13
D2 D1
3
D2
D13
V2 V1
3.比拟放大
1.实验室研究阶段特点
1．1实验室研究多采用摇瓶实验
优点：短期内可以获得大量数据
缺点：
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
摇床振荡的频率与振幅的大小
培养基体积与摇瓶总体积的比率
摇瓶的形式
1．2实验室研究和统计学方法
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。
1.几何尺寸的放大
化学工业中，每级放大在50倍以下，而且每级放大时需对前级参数进行修正。生物工业中，放大的倍数有的高达200倍，如外国某公司用于单细胞蛋白生产的300m3反应器是从1.5m3反应器直接放大得到的。一般生物反应器的放大倍数为10。
如果菌株要求较高的Kla，罐中的生产能力就高于摇瓶
如果菌株对机械损伤比较敏感，罐中生
2．2发酵罐规模改变的影响
引起许多物理和生物参数的改变
主要因素：
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
2.1.菌体繁殖代数的差异
Ng=1.44(lnV+lnx-lnX0)
溶氧系数相等单位体积发酵液消耗功率相等
以体积溶氧系数相等为基准的比拟放大方法体积溶氧系数（亚硫酸盐氧化值）kd主要步骤
1）确定试验设备的主要参数，并试算kd值
2）按集合相似原则确定放大设备的主要尺寸
3）决定通风量
4）按溶氧系数相等的原则确定搅拌功率及转速
第4章 发酵罐的比拟放大
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比拟放大不是简单的按比例放大，而是建 立在几何相似、培养条件相同和微生物在 反应器中充分分散等基本假设之上的。放 大与通气、搅拌等技术构成了生化工程的 核心部分。应用在微生物的放大方面，则 需要由小试放大到中试进行讨论，这是生 化工程的一个基本特征。
化学工业中，每级放大在50倍以下，而且 每级放大时需对前级参数进行修正。生物 工业中，放大的倍数有的高达200倍，如外 国某公司用于单细胞蛋白生产的300m3反应 器是从1.5m3反应器直接放大得到的。一般 生物反应器的放大倍数为10。
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（一）比拟放大的方法 1. 几何尺寸的放大 根据几何相似的原则 DT2/DT1=D2/D1=(V2/V1)1/3 DT-------------反应器直径 D-------------搅拌器直径 V--------------反应器的装料容积
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2.通风量的放大 ①按单位体积液体通风量Q/V相等(等VVM放大) 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。 ②按通风截面空气线速度VS相等放大 反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。
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以体积溶氧系数相等为基准的比拟放大方法 体积溶氧系数（亚硫酸盐氧化值）kd 主要步骤 1）确定试验设备的主要参数，并试算kd值 2）按集合相似原则确定放大设备的主要尺寸 3）决定通风量 4）按溶氧系数相等的原则确定搅拌功率及转速
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发酵罐的比拟放大
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。
在发酵工程中是否适用和发酵工程中所用的比拟放大方法
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。
发酵过程的控制和监测
一、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。
2．化学检测指标：pH ；氧化还原电位；溶解氧；气体CO2、O2；糖含量；化合物含量等。
3．生物检测指标：菌体浊度；ATP ；各种酶活力；中间代谢产物。
当然并非所有产品的发酵过程中都需检测上述全部参数，而是根据该产品的特点和可能条件，有选择地检测部分参数。
(二监控方式
一般监控系统包括3个部分。
1．测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH 计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。
2．控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件进行调整控制。
3．执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。
关于控制方式，有手动控制和自动控制两类。
1．手动控制：这是最简易的控制方法。
例如，调节发酵温度，通过控制发酵罐夹套的冷却水(或蒸汽流量来调节发酵液的温度。
手动控制方法简单，不需特殊的附加装置，投资费用较少，劳动强度较大，控制的合适也可减少误差。
2．自动控制：采用自动控制时，必须使测定元件产生输出信号并用仪表监视。
如测定温度时，可用热电偶代替温度计，并与控制部分相连，控制部分再产生信号驱动执行元件进行操作。
二、发酵过程的常规监控
1．温度
2．pH 值
3．泡沫
4．罐压
5．空气流量
6．搅拌转速
1．温度
由于微生物利用碳源、能源进行代谢活动能产生放热反应，
此外，搅拌也能产生一定热量，因此发酵过程中升温的快慢常常可以作为判断发酵速度的粗略参考。
发酵正常，菌体生长繁殖旺盛时自然升温较快，发酵后期，升温较缓慢，为了维持生长的适合温度必须在发酵过程随时调节发酵罐传热装置内冷却水或蒸汽来维持发酵液的温度。
最简单的温度测定方法是观察发酵罐罐壁上的温包内的温度计。
然后，对照工艺规程，罐温偏高时，开启自来水(或冷却水的阀门，使发酵液温度降至规定的温度。
升温或降温终了时，应注意出现滞后现象。
适时合理的控制往往需要一定的经验和技巧。
温度自控方法，可采用热电偶或热变电阻器或金属电阻温度计，这些热敏
感元件都能将温度变化转变成电信号，然后与控制仪表相连，并且经各类控制开关或回路将指令传给执执行元件，同样可以开启或关闭冷却或加热装置，使罐温维持恒定。
2．pH 值
发酵过程中，培养基pH 的变化主要决定于培养基的成分和微生物的代谢特性，这是由于微生物不断消耗和利用营养物质，同时又分泌各种代谢产物到培养基中去的结果。
培养基的pH 值是反映了微生物对营养物质进行同化和异化作用后的最终氢离子浓度。
显然在固定的培养条件下，微生物发酵过程中pH 的变化是有一定规律性的，掌握这种变化，对于判断和控制发酵生产有相当重要的意义。
测定pH 的方法：
a. 通常可用pH 试纸测定;
b. 精确的则用pH 计测定。
目前已有可经消毒的pH 电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH ，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH 调节。
3．泡沫的检测和控制
最简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫产生情况，发现泡沫持续上升时，开启消泡剂贮罐的阀门，流加少量消泡剂，使泡沫消失即可。
也可在罐内顶部装一不锈钢探头并与控制仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。
当泡沫上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。
4．罐压
发酵容器都装有压力测量装置，最通用的是弹簧压力表。
因为培养过程和高压蒸汽灭菌时都需要观察压力的变化情况。
发酵过程中，空气压力对微生物生长繁殖和产物合成的影响主要表现为压力提高氧的溶解度，改善发酵过程中溶氧的供应。
但是罐压增加，也相应地提高CO2分压，而后者的增加对有些微生物的正常生长可能产生不利的影响。
单圈弹簧管
压力计是最常用的压力表，一般安装在发酵罐和过滤器的顶部，它所指示的数字是表示高于大气压的压力数。
控制压力的方法，一般为调节进口或出口阀门，改变进入或排出的空气(或气体量，以维持工艺规程所需的压力。
在自动控制的发酵罐中，可选用霍尔效应压力计或各种远传式压力计，它们可以将压力转变成各种电信号然后与仪表联接，后者根据压力大小，反馈控制阀门的开关，达到调节的目的。
5．空气流量
发酵生产中，一般以通风比来表示空气流量，通常以一分钟内通过单位体积培养液的空气体积比来表示(V／V •m 。
例如，装有2.5m3培养液的发酵罐，若每分钟通入无菌空气1.25m3，则称为通气比为1:0.5，或简称通风量为0.5(V／V •m 。
通气对氧的溶解速率的影响
主要表现为气体的表面线速度(V与溶氧系数(KLa成正比，由于通气量增大，有利于提高溶氧速率，但如果加大通气量而不维持原有搅拌功率，则由于增加通气量，使发酵液密度下降，从而导致搅拌功耗下降，而搅拌功耗对提高溶氧的影响将更为显著。
因此，如果加大通气量而不维持原有搅拌功率时，对提高溶氧并不十分有效。
测定和调节空气流量的方法
测定空气流量最简便的方法是转子流量计。
它是—种结构简单、直观、压力损失小、维修方便的仪器；通常直接安装在发酵罐的排气管道上。
转子流量计基本上由两个部件组成，一件是从下向上逐渐扩大的锥形管；另—件是置于锥形管中可以上下自由移动的转子，当流量足够大时，气流产生的作用力能将转子托起并使之升高，流量的大小决定了转子平衡时所在位置的高低。
因此，可以从已知刻度上测出空气流量。
空气流量调节是通过开启阀门实现的。
6．搅拌转速
发酵罐搅拌转速与发酵的溶氧系数关系十分密切。
因为溶氧系数KLa 正比于单位发酵液的搅拌功率消耗，而功耗与搅拌转速的三次方成正比。
所以在一定几何结构条件下(如罐的径高比、搅拌叶片直径、挡板等发酵罐的溶氧系数(或称体积传质系数KLa 主要受搅拌转速的影响。
搅拌影响溶氧系数主要有3个方面：
①搅拌把通入的无菌空气打成细小气泡，增加气液接触面积(即增大内表面积
a ，而且小气泡从罐底上升到液面要比大气泡慢，也增加气液接触时间；②搅拌造成的涡流运动使气泡不直接从罐底上升至顶部，而变成螺旋运动上升，这也增加了气液表面的上升时间，利于氧的溶解；
③搅拌所形成的湍流断面减少液膜的厚度，从而减少液膜阻力，增大了
KLa 。
目前试验用小型发酵罐都采用变速马达，因此可以根据发酵工艺需要(主要是取决于溶氧速率的需要调节搅拌转速。
国内工业规模发酵罐所用马达多数为固定转速，通过变速箱或皮带盘进行减速。
因此在发酵过程中，一般是无法调整搅拌速度的。
如果在大型发酵罐上采用变速马达，虽然一次投资费用较大些，但是可以在发酵过程中根据不同时期微生物对氧需要进行调节搅拌转速，这样将使生产过程更科学、合理和经济。