本科課件發(fā)酵工程,本科課件,發(fā)酵工程,本科,課件,發(fā)酵,工程 第八章第八章 發(fā)酵罐的比擬放大發(fā)酵罐的比擬放大 比比擬擬放放大大:是是把把小小型型設(shè)設(shè)備備中中進(jìn)進(jìn)行行科科學(xué)學(xué)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)所所獲獲得得的的成成果果在在大大生生產(chǎn)產(chǎn)設(shè)設(shè)備備中中予予以以再再現(xiàn)現(xiàn)的的手手段段，它它不不是是等等比比例例放放大大，而而是是以以相相似論的方法進(jìn)行放大。似論的方法進(jìn)行放大。發(fā)酵罐發(fā)酵罐放大的目的 一個生物反應(yīng)過程的開發(fā)，通常是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上最后才在大型生產(chǎn)設(shè)備中投入生產(chǎn)的。但在不同大小的反應(yīng)器中進(jìn)行相同的生物反應(yīng)時，在發(fā)酵罐質(zhì)量、熱量和動量傳遞上的差別，有可能導(dǎo)致反應(yīng)速率以及反應(yīng)時具體過程的差異，從而導(dǎo)致反應(yīng)的異化。因此，發(fā)酵罐的比擬放大是生物化學(xué)工業(yè)中的一個重要研究課題。發(fā)酵罐的放大原則（一）發(fā)酵罐的類型很多，所適用的體系也各異，因此發(fā)酵罐的放大是比較復(fù)雜的。下面就介紹一些放大準(zhǔn)則。（1）幾何相似 即按小的與大的裝置各部分幾何尺寸比例大致相同放大。但是，為了避免設(shè)備直徑過大，大設(shè)備的高徑比往往大一些。（2）恒定等體積功率放大 由Pg/V恒定而確定攪拌轉(zhuǎn)速。發(fā)酵罐的放大原則（二）（三）恒定傳氧系數(shù)kLa放大 這個方法抓住了傳氧這一關(guān)鍵因素，目前應(yīng)用很多。具體應(yīng)用中要注意幾個問題。1.小試中要測得準(zhǔn)確的kLa值，選擇合適的計算公式。2.注意各計算kLa公式在放大中參數(shù)的變化及適用范圍。3.按照計算P0/Pg選擇通氣比，計算Vs求kL來計算發(fā)酵罐的放大原則（三）（四）恒定剪切力恒定葉端速度放大 剪切力與攪拌槳葉端速度成正比，在恒定體積功率放大時一般維持n3d2不變（n為攪拌槳轉(zhuǎn)速、d為攪拌槳直徑）（五）恒定的混合時間tM放大 另外，還有人主張考慮NRe及動量因子來放大等，這里就不一一介紹了。發(fā)酵罐的放大方法 發(fā)酵罐的比擬放大，要對具體情況做具體分析。根據(jù)不同的需要來確定放大準(zhǔn)則，再選取合適的方法。具體的放大方法主要有以下幾種：（一）以kLa為基準(zhǔn)的比擬放大法（二）以Po/V相等為準(zhǔn)則的比擬放大（三）其他的比擬放大方法三三 比擬放大和它的基本方法比擬放大和它的基本方法首先必須找出表征著此系統(tǒng)的各種參數(shù)，首先必須找出表征著此系統(tǒng)的各種參數(shù)，將它們組成幾個具有一定物理含義的無將它們組成幾個具有一定物理含義的無因次數(shù)，并建立它們間的函數(shù)式，然后因次數(shù)，并建立它們間的函數(shù)式，然后用實(shí)驗(yàn)的方法在試驗(yàn)設(shè)備中求得此函數(shù)用實(shí)驗(yàn)的方法在試驗(yàn)設(shè)備中求得此函數(shù)式中所包含的常數(shù)和指數(shù)，則此關(guān)系式式中所包含的常數(shù)和指數(shù)，則此關(guān)系式在一定條件下便可用作為比似放大的依在一定條件下便可用作為比似放大的依據(jù)。比擬放大是化工過程研究和生產(chǎn)中據(jù)。比擬放大是化工過程研究和生產(chǎn)中常用的基本方法之一。常用的基本方法之一。在發(fā)酵工程中是否適用和發(fā)酵在發(fā)酵工程中是否適用和發(fā)酵工程中所用的比擬放大方法工程中所用的比擬放大方法發(fā)酵過程是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，影響這個過程的參數(shù)有物理的、化學(xué)的、生物的，有些雖然已經(jīng)被認(rèn)識了，但目前還不能準(zhǔn)確快速地測量，有些則尚未被認(rèn)識。現(xiàn)在只研究了少數(shù)參數(shù)對此過程的關(guān)系，而假定其它參數(shù)是不變的，實(shí)際上不可能都是不變的。因此發(fā)酵生產(chǎn)過程設(shè)備比似放大理論與技術(shù)的完善，有賴于對發(fā)酵過程的本質(zhì)的深入了解。發(fā)酵工程中所用的比擬放大方法有：等 KLa,等DN,等Pg/V,等Re或動量因子,相似的混合時間等。以kLa為基準(zhǔn)的比擬放大法有的菌種在深層發(fā)酵時耗氧速率很快，因此溶氧速率能否與之平衡就可能成為生產(chǎn)的限制性因素。耗氧速率可以用實(shí)驗(yàn)法測定。在小型試驗(yàn)發(fā)酵罐里進(jìn)行發(fā)酵過程，用適當(dāng)?shù)膬x器記錄發(fā)酵液中的溶氧濃度。例：某廠試驗(yàn)車間用枯草桿菌在100升罐中進(jìn)行生產(chǎn)。淀粉酶試驗(yàn)，獲得良好成績。放大至20立方米罐。以Po/V相等為準(zhǔn)則的比擬放大對于溶氧速率控制的非牛頓發(fā)酵液系統(tǒng)，把Po/V相等作為比擬放大的準(zhǔn)則就非常方便，同時也避免了微生物參與所帶來的計算kLa的困難。值得注意的是，Po/V與傳質(zhì)系數(shù)之間的確存在著重要的關(guān)系，但Po/V相等并不意味著kLa相等。二者之間沒有必然的聯(lián)系。其他的比擬放大方法（一）恒周線速度 絲狀菌發(fā)酵受剪率、特別是攪拌葉輪尖端線速度的影響較為明顯。如果僅僅保持kLa相等或Po/V相等，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的失誤。在Po/V相等的條件下，D/T比越小，造成的剪率越大，也有利于菌絲團(tuán)的破碎和氣泡的分散，這對于產(chǎn)物抑制的發(fā)酵有重要意義。所以，對于這類發(fā)酵體系，攪拌渦輪周線速度也被認(rèn)為是比擬放大的基準(zhǔn)之一。其他的比擬放大方法（二）恒混合時間 混合時間的定義是把少許具有與攪拌 罐內(nèi)的液體相同物性的液體注入攪拌罐內(nèi)，兩者達(dá)到分子水平的均勻混合所需要的時間?；旌蠒r間主要與發(fā)酵液的粘度有關(guān)，通常，低粘度的液體混合時間要少于高粘度的液體。另外，放大罐的體積越大，混合時間就越長。其他的比擬放大方法由此可以看出，比擬放大雖然必須以理性知識為基礎(chǔ)，但也離不開豐富的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)，特別是對于非牛頓流體發(fā)酵系統(tǒng)尤其如此。直到最近，比擬放大的現(xiàn)狀仍然如此。