第五章_发酵罐的比拟放大..
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。
发酵设备 第五章 通风发酵设备
图33 旋风离心式消泡器
• （3）刮板式消泡器
• 刮板式消泡器由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流 口、气体出口组成。刮板的中心与壳体的中心有一个偏心 距。工作原理是，刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳 体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为 1000~1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的 下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气 体出口排出。见图35
1110 1400 1600 1600 1800 2100 2200 3000
φ500 φ700 φ800 φ900 φ900 φ1100 φ1200 φ1400
φ600 φ800 φ900 φ1000 φ1000 φ1200 φ1300 φ1500
340 321 200 280 200 250 200 180
第一节 通风发酵罐
•
•
形状，圆柱形，两端椭圆形？？受力均匀，减 少死角，物料容易排除，比其他型式的封头在 同样使用压力下可用较薄的钢板，见图8。 高度与直径比1.7~4：1，有利空气利用率
图8 已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管
发酵罐的壁厚及封头厚度的计算
图10 大中型发酵罐上封头
自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 文氏发酵罐
气升式发酵罐 伍氏发酵罐 塔式发酵罐
第一节 通风发酵罐
Ⅰ
机械搅拌发酵罐
• 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一，它是 利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合 促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁 殖、发酵所需要的氧气。
第一节 通风发酵罐
一.发酵罐的基本条件
100 200
筒体 高度 H(mm) 3200 4700 6600 7000 8000 8000 9400 11500
通风发酵
第六章反应器的流动模型与放大
在前边讨论的CSTR和CPFR时，引入了全混流和活塞流概念，并称其
为理想流动模型，在实际生产的反应器流动都不符合上述这两种流动模 型，我们称非流动模型，它介于这两种理想流动模型之间。
在前边讨论，知道反应程度与反应时间有关，反应时间越长，反应
越彻底（转化率越高），反之越低。 在间歇操作反应器中由于物料同时放入，反应后同时放出，所以不存
P n V
g 0.5 s
0.4
0.5
kd=
Pg 2.36 3.30 Ni V
0.56
molO2 s0.7 n0.7 109 mL .min. 大气压（ p)
pg------千瓦；V------m3； vs------截面气速cm/min； n-----转数/分 有kLa与kd换算式可得出kLa的算式
P nD P 0.32 Q
2 3 o g 0.08
0.39
若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转 数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。 不通风时搅拌功率;
P 2 4.63N n D 10
3 5 2 P
9
P2=2×4.63×4.7×803×1.35×1060 ×10-9 =87.7（KW）
V N molO N 1000 m t 4 ml min
2 V
C
2、）物料衡算法 VL ×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)
3、KLa与kd的关系 由亨利定律知：p=HC* 由气体分压定律知:p=Px
x 1 N k a Pk a p H H x k 定义： k a H
• p=H C* p*= H C
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
第五章_发酵罐的比拟放大..
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
掌握对象的规律，对其作出数学描述，建立 方程，然后通过方程的求解或数值计算进行 工厂的设计计算，这是人们的普遍期望。由 于生物反应过程的复杂性，这种以数学解析 为基础的方法至今仍成效不大，解决生物反 应器放大问题的本质在于寻找反应器的几何 尺度、操作条件与环境因素的确切关系，以 使在实验室中的优化环境能在工业中重演。
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。在高粘度发酵液中，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之前循 环进入叶轮周围区域。
生物工程专业课程
生 化 工 程 2)剪切应力 由于对剪切应力和形态之间的
内部联系缺乏了解，特别是对于形成微胶粒 第 五 的微生物，叶轮最大线速率(叶尖速率)的放 章 大总是凭经验来确定。
发 酵 罐 的 比 拟 放 大
生物工程专业课程
生 化 3)氧传递速率、在生物反应器的放大中，还 工 要考虑其他因素。 程 第 工业规模反应器的高径比大于实验室规模反 五 应器；当气体向上流动时，既提供了氧，也 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
例题：page 66
第一步：试验罐 kd 值计算
发酵罐放大培养实验报告
发酵罐放大培养实验报告引言：发酵技术广泛应用于食品、医药、化工等领域，用于生产各种有益的产物。
发酵过程中，发酵罐是一个关键的设备，用于放大培养微生物或细胞以提高产量。
本实验旨在通过放大培养实验，评估发酵罐的性能和效果。
材料与方法：1. 发酵菌株/细胞系：选择适合放大培养的菌株/细胞系，并进行预培养。
2. 发酵罐：选择合适的发酵罐，确保其容量能够满足放大培养的需求。
3. 培养基：根据菌株/细胞系的需求，配制适当的培养基。
4. 操作条件：设定合适的操作条件，如温度、pH、搅拌速度等。
5. 接种与培养：将预培养好的菌株/细胞系接种到发酵罐中，开始放大培养过程。
6. 监测与采样：定期监测发酵罐内的培养物状态，包括生长曲线、产物积累等，并进行采样分析。
结果与讨论：1. 发酵罐的容量：发酵罐的容量对于放大培养非常重要，应根据需求选择合适的容量，以确保充分的培养物生长空间。
2. 培养基配方：培养基的配方对于菌株/细胞系的生长和产物积累具有重要影响，应根据需求进行优化。
3. 操作条件的控制：温度、pH、搅拌速度等操作条件的控制对于发酵的成功至关重要，应根据菌株/细胞系的要求进行合理调节。
4. 生长曲线分析：通过定期监测培养物的生长曲线，可以评估发酵过程中的生长速率和生长期。
5. 产物分析：采样分析培养物中的产物含量和质量，评估发酵的产出效果。
结论：通过发酵罐放大培养实验，我们评估了发酵罐的性能和效果。
合理选择发酵罐的容量，优化培养基配方，精确控制操作条件，并进行监测和采样分析，可以实现有效的放大培养。
在本实验中，我们观察到发酵罐的容量对于放大培养的成功非常重要。
一个过小的发酵罐容量可能导致培养物生长受限，限制了产量的提高。
因此，在选择发酵罐时，需要根据菌株/细胞系的需求和预期的产量进行合理的选择。
另外，培养基的配方也对放大培养的效果起着关键作用。
不同菌株/细胞系对营养物质的需求各不相同，因此需要根据其需求进行培养基的优化配方。
发酵罐的设计与放大
I
目录
1. 前 言......................................................................................................................... 1 2. 设计依据................................................................................................................... 2
2.1 相似性放大的内容.......................................................................................... 2 2.2 相似性放大的依据.......................................................................................... 2 2.3 相似性放大和它的基本方法.......................................................................... 2 2.4 发酵过程的控制和检测.................................................................................. 2
2.4.1 发酵过程的参数检测意义................................................................... 2 2.4.2 发酵过程监控的主要指标................................................................... 3 2.4.3 监控的方式........................................................................................... 3 2.5 发酵罐结构...................................................................................................... 4 2.6 机械搅拌罐放大流程...................................................................................... 4 3. 工艺设计内容（计算及论述分析）....................................................................... 5 3.1 依据几何相似原则计算发酵罐尺寸.............................................................. 5 3.2 试验罐各参数的计算...................................................................................... 6 3.2.1 搅拌雷诺数 ReM.................................................................................. 6 3.2.2 不通气时的搅拌功率........................................................................... 6 3.2.3 通气时的搅拌功率............................................................................... 6 3.2.4 空气截面气速....................................................................................... 7 3.2.5 体积溶氧系数....................................................................................... 7 3.3 生产罐的各参数计算...................................................................................... 7 3.3.1 空气截面气速的计算........................................................................... 7 3.3.2 生产罐的通气速率............................................................................... 8 3.3.3 通气强度............................................................................................... 8 3.3.4 搅拌器线速度....................................................................................... 8 3.3.5 搅拌器转速........................................................................................... 8 3.3.6 雷诺准数 ReM 计算............................................................................. 8 3.3.7 不通气时的搅拌功率........................................................................... 9 3.3.8 通气时的搅拌功率............................................................................... 9 3.3.9 生产罐的体积溶氧系数 KLα .............................................................. 9 3.4 试验罐与放大计算结果比较.......................................................................... 9 4 附属零件的计算....................................................................................................... 11 4.1 计算挡板数量和尺寸.................................................................................... 11 4.1.1 挡板宽度............................................................................................. 11
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
生物反应讲义器比拟放大
一、酶促反应动力学基础
与一般化学反应相比，酶促反应要复杂一 些，影响酶促反应的主要因素有：酶浓度， 底物浓度，温度压力，溶液的介电常数与 离强度，PH、内部结构因素等。
最根本的是浓度因素
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
ug1 ug2
(VVM)2 pL2 Di1 (VVM)1 pL1 Di2
由上式可知，当体积放大100倍时，即
D2 D1
4 .6 4
若忽略液柱压力，即
(VVM )2 1 (VVM )1 4.64
即通风量减少4.64倍，其结果是通风量过小。
第三节 酶反应器的放大 酶反应器的放大基础和准则 酶反应器放大设计计算方法
rp 底 物 的 消 耗 速 率
rs 产 物 的 生 成 速 率
K m 米 氏 常 数
tM (n D i2)23g16D i12H L 12D i32
对于几何相似的反应器t，M1 tM2 时，从上式可以得出： n2 ( D1 ) 1 4 n1 D2
（六）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大
单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准
态），即：
VVM Q0 VL
，m3/（m3·min）
这种方法适用于高好氧的生物发酵过程的反应器的放大。
在耗氧发酵过程中，培养液中的溶解度很低， 生物反应很容易因反应器溶氧能力的限制受 到影响，以反应器KLa的相同作为放大准则， 可以收到较好的效果。
以KLa值相同 放大时，一 定要选一个 合适的KLa值， 可根据微生 物发酵产物 的产率与KLa 大小的关系
n2
n1(D D21)0.75
生化工程考试大纲及详细解释
绪论1、重点1) 生化工程的定义（识记）将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化工程2 )生化工程的研究内容（识记）１、培养基灭菌、空气除菌、通气搅拌、反应器及比拟放大２、微生物的连续培养３、生物反应动力学４、固定化酶技术及应用2、次重点生化工程的发展历程（识记）生化工程学诞生于上世纪40年代。
早期的发酵工业只有较少种类的产品，其中厌氧发酵产品居多。
如酒类、乳酸。
厌氧发酵由于不大量供应氧气，染杂菌导致生产失败的机会较少，故而深层液体厌氧发酵早就具有相当大的规模。
那时只有少数的好氧发酵产品采用了深层液体发酵生产法，如面包酵母，醋酸。
前者因为酵母的比生长速率较高，后者因为醋酸的生成导致发酵液中pH降低，不易污染杂菌。
40年代前期，正好是第二次世界大战期间，战场上有成千上万的伤员需要救治，急需药物（非磺胺类）防止伤口感染。
早在1928年英国的学者Fleming发现了青霉素，1940年分离出纯品，1941～1942年在临床上应用，证明有非常好的疗效，这时急待将青霉素投入工业化生产。
第二章培养基灭菌和空气除菌1、重点1）微生物的热死灭动力学（应用）2）空气过滤设计（应用）2、次重点1）分批灭菌的设计（应用）分批灭菌：就是将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，通常也称为实罐灭菌。
2）连续灭菌反应器的流体流动模型（理解）3）连续灭菌设计（应用）连续灭菌：培养基在发酵罐外经过一套连续灭菌设备，以比分批灭菌高的温度和较短的时间进行快速连续加热灭菌，并快速冷却，再立即输入预先经过空罐灭菌后的发酵罐中3 、一般1）空气除菌方法（理解）(加热灭菌,辐射灭菌,化学灭菌,静电除尘,介质过滤)2）典型空气除菌流程（识记）(高空采风—空压机—贮罐—冷却器—总过滤器—分过滤器—净化空气—进罐)(北方) (湿度大时,应该在冷却器后加上油水分离器和除雾器)3）新型过滤器（理解）(聚乙烯醇过滤器,折式过滤除菌器,高效烧结金属过滤器,绝对过滤器)第三章氧的供需1、重点（1）概念：比耗氧速率:单位质量的细胞（干重）在单位时间内消耗氧的量。
生化工程习题[整理]
![生化工程习题[整理]](https://img.taocdn.com/s3/m/ff9dbc140640be1e650e52ea551810a6f524c8e2.png)
生化工程习题一、判断正误1、间歇培养微生物的减速生长期, 微生物的比生长速率小于零。
( ×)2、反混指不同物料间有混合的现象。
( ×)3、 PFR反应器中, 沿轴向的反应速度是常数。
( ×)4、单级连续培养中, 如果调整成D( 稀释速率) >μ( 比生长速率) , 最终将发生”冲出”现象。
( √)5、一定温度下, 微生物营养细胞的均相热死灭动力学符合化学反应的一级反应动力学。
( √)6、限制性底物指微生物的碳源。
( ×)7、单级恒化器连续培养某种酵母达一稳态后, 流出液中菌体浓度是培养时间的函数。
( ×)8、 CSTR反应器中物料的返混程度最小。
( ×)9、微生物的比生长速率是指单位时间内菌体的增量。
( ×)10、间歇培养好氧微生物时, 菌体的对数生长期到来时, 菌体的摄氧率大幅度增加。
( √)11、亚硫酸盐氧化法能够用于测量真实发酵液的Kla。
( ×)12、活塞流反应器中, 沿径向的反应速度是常数。
( √)13、返混是指不同停留时间物料之间的混合。
( √)14、任何微生物培养过程的YATP均等于10g/mol左右。
( ×)15、连续培养反应器中物料的平均停留时间和稀释速率互为倒数。
( √)16、间歇培养好氧微生物时, 菌体耗氧速率是常数。
( ×)17、对培养基进行热灭菌必须以霉菌的孢子为杀灭对象。
( ×)18、在一定温度下, 各种不同微生物的比热死亡速率常数值相等。
( ×)19、在有细胞回流的单级恒化器中, 总的出口处菌体浓度与恒化器中的菌体浓度完全相等。
( ×)20、动态法测量Kla不能用于有菌体繁殖的发酵液。
( ×)21、连续反应器中物料的平均停留时间用F/V来计算。
( ×)22、在活塞流反应器中进行恒温热灭菌, 沿物料流动方向菌体热死灭速率逐渐下降。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
生物反应器放大过程涉及培养-发酵环境 与细胞形态学、细胞生理学和过程动力学 之间的关系。培养-发酵环境又与生物反 应器中的流体力学性质、传递现象(热量和 质量传递)和培养-发酵液的理化性质有密 切关系。
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 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 分步完成的任何过程中，相对较慢的步骤将 第 成为整个过程的控制步骤。 五 章 用来评价发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 发生在整个发酵液内，而热量传递仅发生在 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)来获得大型发酵罐所需 的热量，因此，一般不考虑热量传递的放大 准则。
生物工程专业课程
生 化 工 对于生物反应过程这种复杂过程，工程技术中 程 经常采用的解决途径是通过实验建立经验关系 第 式。 五 章 实验时，要求每次只改变一个变量，将其他变 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
量固定，若涉及的变量很多，工作量必然很大， 将实验结果关联成便于应用的公式也很困难。 通过因次分析法可将变量组合成无因次数群， 然后通过实验方法确定数群之间的数值关系， 数群的数目总是比变量的数目少，这样实验与 关联工作都能够得到简化。
第五章 发酵罐的比拟放大
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
生物反应器的放大是指在反应器的设计与 操作上，将小型反应器的最优反应结果转 移至工业规模反应器中重现的过程。
小型和大型生物反应器设计的不同点
项目
功率消耗
实验用反应器
不必考虑
生产用反应器
需认真对待
反应器内空间
生物工程专业课程
生 化 工 程 事实上，生物技术追求的两个系统之间的严 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
格相似是不可能的。例如，为了在不同的系 统中获得相同的涡流状态，必须保持动力学 相似，也就是说必须使 Re （惯性力/粘度） 和 Fr （惯性力/重力）值同时相等，如果采用 相同的流体，则不可能在不同大小的反应器 中获得相同 Re 和 Fr 值，因为选择相同 Re 值 则表示小反应器中将具有较高 Fr 值，产生更 深的涡流。
由于细胞的种类不同，其形态与生理特性差 异很大，致使培养-发酵液的理化性质相当 复杂，常随时间变化，加上培养-发酵过程 中以活细胞作为生物催化剂，而活细胞的代 谢途径以及遗传持性对环境的影响十分敏感， 这样，生物反应器的优化实质上是环境的优 化，生物反应器放大的关键在于能把实验室 反应器的优化环境成功地转移到工业反应器 中。
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
生物反应器的放大是指将实验室研究设备中 的优化培养或发酵结果转移到工业规模的生 物反应器中加以重演的技术。这一技术实际 上也兼具生物反应过程放大的涵义。反应器 的放大是生物技术开发过程中的重要组成部 分，也是生物技术成果实现产业化的关键之 一。 将小型反应器的最优反应结 果转移至工业规模反应器中 重现的过程
生物工程专业课程
生 化 一个操作良好的发酵过程，需要考虑多方向 工 的性能，如剪切力、宏观混合、氧传递、 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
CO2 排出、泡沫形成和操作成本。生物反应 器的设计和操作，必然受到来自这些方面的 限制。生物反应器的设计和操作中可以人为 改变的只有几何特征、搅拌转速和通气条件， 对于一台运行中的反应器，可以改变的常常 只有搅拌转速和通气条件。
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
相似性是生物反应器放大的最基本原则， 一般可用线性关系来描述:
其中m′表示放大模型变量，m 表示原型变量， k 是放大因子，方程是对所有变量有效还是 只对部分变量有效，决定系统是全部还是 部分相似，按照变量的性质，相似性可分 为五类：
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
1.几何相似性； 2.流体动力学相似性； 3.热相似性； 4.质量(浓度)相似性； 5.生物化学相似性；
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
按照上述的顺序，前一级是后一级的前提。 例如，如果需研究两个系统的动力学相似性 (流动速率的分布相似)，必须首先了解几何 相似性。相似性的基本概念可表述为：如果 两个不同的系统能用相同的微分方程来描述， 并具有相同的外形特征，那么两个系统将具 有同一的行为方式。
混合特性
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、发酵罐的比拟缩小
生物工程专业课程
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
掌握对象的规律，对其作出数学描述，建立 方程，然后通过方程的求解或数值计算进行 工厂的设计计算，这是人们的普遍期望。由 于生物反应过程的复杂性，这种以数学解析 为基础的方法至今仍成效不大，解决生物反 应器放大问题的本质在于寻找反应器的几何 尺度、操作条件与环境因素的确切关系，以 使在实验室中的优化环境能在工业中重演。
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
发酵产品产业化开发步骤： 在生物反应过程的开发阶段，首先进行小型 的工艺试验，以选择反应器的型式，决定优 化的工艺条件，确定可望达到的各项技术指 标→中试→发酵生产。
在没有把握的时候，需经过多级的中间试验， 每级只放大很低的倍数，这就是所谓的逐级 经验放大方法，这种放大方法是相当费时费 钱的。