第4章 发酵罐的比拟放大

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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
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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
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以单位体积发酵液消耗功率相等为基准的 比拟放大
况下的功率消耗是成比例的。
③按体积溶氧系数相等放大
溶氧系数是所有好气性发酵的主要指标，任何通
气发酵在一定条件下都有一个达到最大产率的溶
氧系数，故维持大、小罐的溶氧系数相等进行放
202大0/7/是27 合理的。
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④按搅拌器末端线速度nDi相等放大 如果在小型设备中搅拌器所产生的最大剪切力已
接近微生物的剪应极限，这时就必须按搅拌器末
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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③按体积溶氧系数相等放大 经过实验和有关准数的整理，可得通风量Q与溶 氧系数kLa∝(Q/V)HL2/3 kLa-------体积溶氧系数（1/h） Q---------通风量(m3/min); V---------发酵液体积(m3) HL--------发酵液深度(m) (kLa)2/(kLa)1=(Q/V)2/(Q/V)1.(HL2/HL1)2/3
端线速度相等来进行放大。
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其他放大方法
• 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。
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其他放大方法
• 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。
第四章 发酵罐的比拟放大
为了使小型发酵试验所获得的规律和数据能在大 生产中再现，就要掌握和运用放大技术。一般采 用相似原理进行比拟放大。 比拟放大的基本方法：首先必须找出表征此系统 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，并建立它们之间的函数式，然后用 实验的方法在试验设备里求得此函数式中所包含 的 常数和指数，则此关系式便可用作与此试验 设备几何相似的大型设备的设计。
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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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• 例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升罐 中进行生产α-淀粉酶试验， 获得良好成绩。 放大至20立方米罐。
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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
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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。
(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
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。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n和搅拌器直径 Di，因此搅拌功率的放大实际上是n和Di的放 大。若集合相似，则Di一定，放大问题就只是选 择搅拌转速n的问题。
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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。