生化工程第四章_發(fā)酵罐的比擬放大課件

1、第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大內(nèi)容一、以kLa（或kd）為基準(zhǔn)的比擬放大二、以P0/V相等為準(zhǔn)則的比擬放大法三、比擬放大的其他準(zhǔn)則四、發(fā)酵罐的比擬縮小生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物反應(yīng)器的放大是指將實驗室研究設(shè)備中的優(yōu)化培養(yǎng)或發(fā)酵結(jié)果轉(zhuǎn)移到工業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器中加以重演的技術(shù)。這一技術(shù)實際上也兼具生物反應(yīng)過程放大的涵義。反應(yīng)器的放大是生物技術(shù)開發(fā)過程中的重要組成部分，也是生物技術(shù)成果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在生物反應(yīng)過程的開發(fā)階段，首先進行小型的工藝試驗，以選擇反應(yīng)器的型式，決定

2、優(yōu)化的工藝條件，確定可望達到的各項技術(shù)指標(biāo)中試發(fā)酵生產(chǎn)。發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化開發(fā)步驟：在沒有把握的時候，需經(jīng)過多級的中間試驗，每級只放大很低的倍數(shù)，這就是所謂的逐級經(jīng)驗放大方法，這種放大方法是相當(dāng)費時費錢的。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物反應(yīng)器放大過程涉及培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境與細胞形態(tài)學(xué)、細胞生理學(xué)和過程動力學(xué)之間的關(guān)系。培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境又與生物反應(yīng)器中的流體力學(xué)性質(zhì)、傳遞現(xiàn)象(熱量和質(zhì)量傳遞)和培養(yǎng)-發(fā)酵液的理化性質(zhì)有密切關(guān)系。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大由于細胞的種類不同，其形態(tài)與生理特性差異很大，致使培養(yǎng)-發(fā)酵液的理化性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜，常隨時間變化，加上培養(yǎng)-

3、發(fā)酵過程中以活細胞作為生物催化劑，而活細胞的代謝途徑以及遺傳持性對環(huán)境的影響十分敏感，這樣，生物反應(yīng)器的優(yōu)化實質(zhì)上是環(huán)境的優(yōu)化，生物反應(yīng)器放大的關(guān)鍵在于能把實驗室反應(yīng)器的優(yōu)化環(huán)境成功地轉(zhuǎn)移到工業(yè)反應(yīng)器中。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大掌握對象的規(guī)律，對其作出數(shù)學(xué)描述，建立方程，然后通過方程的求解或數(shù)值計算進行工廠的設(shè)計計算，這是人們的普遍期望。由于生物反應(yīng)過程的復(fù)雜性，這種以數(shù)學(xué)解析為基礎(chǔ)的方法至今仍成效不大，解決生物反應(yīng)器放大問題的本質(zhì)在于尋找反應(yīng)器的幾何尺度、操作條件與環(huán)境因素的確切關(guān)系，以使在實驗室中的優(yōu)化環(huán)境能在工業(yè)中重演。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的

4、比擬放大相似性是生物反應(yīng)器放大的最基本原則，一般可用線性關(guān)系來描述:其中m表示放大模型變量，m 表示原型變量，k 是放大因子，方程是對所有變量有效還是只對部分變量有效，決定系統(tǒng)是全部還是部分相似，按照變量的性質(zhì)，相似性可分為五類：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大1.幾何相似性；2.流體動力學(xué)相似性；3.熱相似性；4.質(zhì)量(濃度)相似性；5.生物化學(xué)相似性；生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大按照上述的順序，前一級是后一級的前提。例如，如果需研究兩個系統(tǒng)的動力學(xué)相似性(流動速率的分布相似)，必須首先了解幾何相似性。相似性的基本概念可表述為：如果兩個不同的系統(tǒng)能用相

5、同的微分方程來描述，并具有相同的外形特征，那么兩個系統(tǒng)將具有同一的行為方式。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大實驗時，要求每次只改變一個變量，將其他變量固定，若涉及的變量很多，工作量必然很大，將實驗結(jié)果關(guān)聯(lián)成便于應(yīng)用的公式也很困難。通過因次分析法可將變量組合成無因次數(shù)群，然后通過實驗方法確定數(shù)群之間的數(shù)值關(guān)系，數(shù)群的數(shù)目總是比變量的數(shù)目少，這樣實驗與關(guān)聯(lián)工作都能夠得到簡化。對于生物反應(yīng)過程這種復(fù)雜過程，工程技術(shù)中經(jīng)常采用的解決途徑是通過實驗建立經(jīng)驗關(guān)系式。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大事實上，生物技術(shù)追求的兩個系統(tǒng)之間的嚴(yán)格相似是不可能的。例如，為了在不同的

6、系統(tǒng)中獲得相同的渦流狀態(tài)，必須保持動力學(xué)相似，也就是說必須使 Re （慣性力/粘度）和 Fr （慣性力/重力）值同時相等，如果采用相同的流體，則不可能在不同大小的反應(yīng)器中獲得相同 Re 和 Fr 值，因為選擇相同 Re 值則表示小反應(yīng)器中將具有較高 Fr 值，產(chǎn)生更深的渦流。 生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大出于這種局限性，人們提出了速率限制和機理分析方法，在此基礎(chǔ)上得出這樣的結(jié)論：分步完成的任何過程中，相對較慢的步驟將成為整個過程的控制步驟。用來評價發(fā)酵過程的物理特征一般包括混合時間、剪切力、熱量和質(zhì)量傳遞。質(zhì)量傳遞發(fā)生在整個發(fā)酵液內(nèi)，而熱量傳遞僅發(fā)生在熱交換的邊界層上。這

7、樣，就可以采用與過程放大無關(guān)的方法(如用冷凍機代替冷卻水或者采用外部熱交換器)來獲得大型發(fā)酵罐所需的熱量，因此，一般不考慮熱量傳遞的放大準(zhǔn)則。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大一個操作良好的發(fā)酵過程，需要考慮多方向的性能，如剪切力、宏觀混合、氧傳遞、CO2 排出、泡沫形成和操作成本。生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作，必然受到來自這些方面的限制。生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作中可以人為改變的只有幾何特征、攪拌轉(zhuǎn)速和通氣條件，對于一臺運行中的反應(yīng)器，可以改變的常常只有攪拌轉(zhuǎn)速和通氣條件。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在放大過程中，需保持恒定的過程特性包括如下準(zhǔn)則：1)反應(yīng)器的幾何

8、特征；2)體積氧傳遞系數(shù) KLa；3)最大剪切力；4)單位體積液體的功率輸入 Pg/V；生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大5)單位體積液體的氣體體積流量，Q/V 或v.v.m (L/(Lmin)；6)表觀氣體流速 vs；7)混合時間；8)葉輪 Re 數(shù)；9)動量因子；生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在生物反應(yīng)器的放大中，通常保持氧體積質(zhì)量傳遞系數(shù)(指由氣泡向微生物傳遞)的恒定，這巳由需氧發(fā)酵的工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果得到證實?，F(xiàn)在的主要問題是如何提供足夠的氧。雖然足夠的氧供給并不意味著良好的混合。一、以kLa（或kd）為基準(zhǔn)的比擬放大生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵

9、罐的比擬放大為了在兩個不同的發(fā)酵罐中保持相同的 KLa值，所有影響 KLa值的變量都必須保持恒定。利用因次分析法，可建立關(guān)于無因次數(shù)群的關(guān)聯(lián)方程，方程中模量的相等將保證KLa值的恒定。事實上，利用實驗數(shù)據(jù)可獲得許多表示 KLa與不同變量(發(fā)酵罐、葉輪、培養(yǎng)基組分、微生物等)之間關(guān)系的關(guān)聯(lián)式。如：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大這里Pg表示通氣系統(tǒng)液體攪拌所消耗的功率，通常情況下，它的值是非通氣系統(tǒng)的2/5-3/5。此值可由Pg/和通氣值（N = F /ND3）的經(jīng)驗公式得出。不同的關(guān)系式給出不同的結(jié)果，甚至相差很大。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大如：為了提

10、供100 m3（直徑為4.0 m）的發(fā)酵罐所需的功率。必須裝備兩只直徑為1.6 m，轉(zhuǎn)速為120 r/min 的葉輪。假定發(fā)酵液的粘度為10-3 Pas，當(dāng)氣體流速為20m3/min時，由 Michel-Miller 和 Oyama-Endon 關(guān)聯(lián)式分別計算功率值，結(jié)果為 658 kw 和 403 kw。偏差達60。事實上，如果操作規(guī)模下關(guān)聯(lián)式形式?jīng)]有變化，則 Re 和功率之間的關(guān)系為： 生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大因此，vs 值一但確定，也就確定了 Re 值。如果流體物性穩(wěn)定，則所有其他的量也將被確定。比如：生物工程專

11、業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大保持嚴(yán)格的幾何相似性常常并無必要，放大通常采用技術(shù)和經(jīng)驗相結(jié)合的方法。 保持恒定的 kLa 值和最大剪切速率是一個很成功的應(yīng)用實例，為了成功地應(yīng)用這個技術(shù)，需要做到：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大1)為得到希望的 kLa 值和最大剪切速率，所需功率的計算方法要可靠；2)可靠地測量 kLa 值；3)能夠預(yù)測諸如壓力和表面通氣增加這些因素所造成的影響；4)能夠預(yù)測操作規(guī)模改變造成的重要變量的區(qū)域分布。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大一旦施行放大，必須測試如下三個重要方面。1)主體混合 良好的氧供給并不意味著良好的混合；一

12、般而言，反應(yīng)器體積越大，所需混合時間越長。體積（m3）0.010.051.01.864100120混合時間（s）1-52.2202967100140生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在發(fā)酵罐中，當(dāng)混合時間過大，形成滯留區(qū)；當(dāng)混合時間很小，細胞易遭受損傷，這種情況下，混合時間宜保持在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。發(fā)酵罐的不良混合會形成濃度和溫度梯度，給控制帶來嚴(yán)重問題。用酸和堿控制 pH 值時，如果加入口在自由表面之上或遠離葉輪，會使發(fā)酵罐中 pH 值發(fā)生震蕩，使微生物遭受損傷。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大2)剪切應(yīng)力 由于對剪切應(yīng)力和形態(tài)之間的內(nèi)部聯(lián)系缺乏了解，特別是

13、對于形成微膠粒的微生物，葉輪最大線速率(葉尖速率)的放大總是憑經(jīng)驗來確定。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大3)氧傳遞速率、在生物反應(yīng)器的放大中，還要考慮其他因素。工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器的高徑比大于實驗室規(guī)模反應(yīng)器；當(dāng)氣體向上流動時，既提供了氧，也富積了CO2；罐壓也應(yīng)引起注意；如果氣-液間的質(zhì)量傳遞快于軸向混合，會存在軸向上的氧濃度梯度；CO2 的濃度也會帶來問題，特別是在反應(yīng)器上部以及當(dāng)反應(yīng)器在高罐壓下運行時。 生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大另外，氧的溶解度很低(10l0-4)，在很短的時間內(nèi)(30 s)，細胞中氧的供給就會達到臨界值。在高粘度發(fā)酵液中，還會形成

14、徑向梯度，葉輪周圍氧傳遞速率高，應(yīng)使其他區(qū)域的微生物在氧消耗到臨界值之前循環(huán)進入葉輪周圍區(qū)域。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大例題：page 66第一步：試驗罐 kd 值計算生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大根據(jù) p39查圓盤六彎葉渦輪，在充分湍流時，Np 4.7 ；雙渦輪攪拌器功率：根據(jù) p40 式3-2生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大根據(jù) p42公式 3-5 ：根據(jù) p55 3-28：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大第二步：按幾何相似原則確定20 M3 大罐的主要尺寸已知 H/DT = 2.4, HL/DT= 1.5,

15、DT/D = 3 有效容積為 60，則發(fā)酵液體積為 6020 12 M3 （忽略封底容積）生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大第三步：決定通氣量Q按照幾何相似原則放大設(shè)備，放大的倍數(shù)愈高，單位容積醪液具有的罐的橫截面積愈?。蝗绻?v.v.m 表示的通氣流率相等（v.v.m：單位培養(yǎng)液體積中空氣流量；大罐單位體積所需風(fēng)量比小罐小得多，罐的容積越大也就愈經(jīng)濟）則大罐的 vs 比小罐的 vs 將顯著增大，過大的 vs 將造成太多的泡沫和帶出液體，因此，在確定放大罐的通氣量時，應(yīng)當(dāng)考慮到這個因素。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大根據(jù)小罐試驗的情況，為避免逃液，放大罐的

16、 vs 取為150 cm/min，則該量約合原型罐的 0.46 v.v.m生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大第四步：按照 kd 相等的準(zhǔn)則決定大罐的攪拌軸功率及轉(zhuǎn)速根據(jù)前面已經(jīng)算出的原型罐的kd值對于大罐：則大罐的 pg 2851/N1.25pg 是大罐兩只渦輪通氣時的攪拌功率。為求出 pg 和 N，再根據(jù)以下公式列出另一算式：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大此處的 p0 是兩只渦輪不通氣時的攪拌軸功率，根據(jù)生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大聯(lián)立求解：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比

17、擬放大經(jīng)過放大后，兩罐的kd雖然相等，但因大罐的液柱高，其傳氧推動力大，故傳氧速率較快。驗證如下：如試驗罐在試驗時，罐壓為1.3大氣壓，液深造成的靜壓忽略不計；大罐操作壓也是1.3大氣壓，當(dāng)液深為3.24m時，平均靜壓0.162大氣壓。設(shè)罐內(nèi)溶氧濃度為零，則對于試驗罐和放大罐分別為：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大二、以 P0 /V 相等為準(zhǔn)則的比擬放大通過攪拌和通氣方式供給系統(tǒng)的功率直接影響系統(tǒng)的流體力學(xué)行為和質(zhì)量傳遞特征，可以簡單解釋為：Pg /V 值決定 Re 值，而 Re 值影響流體的湍動程度，進而影響質(zhì)量傳遞系數(shù)，特

18、別是氣泡的氧傳遞系數(shù)；另一方面，線性攪拌速率(DN)決定罐中的最大剪切力、除了可能的細胞損傷外，同時還影響氣泡和絮凝顆粒的穩(wěn)定尺寸。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大當(dāng)罐中的流體處于完全湍流狀態(tài)時，功率值是一個定值，即 P N3D5，由于V D3，所以上式對變?yōu)?；放大前后反?yīng)器的P/V值相等，故由上式得：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大例題：page 69對于原型罐：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大同樣，對于放大罐：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大然后再決定 Vs，計算出 P0 和 Pg生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵

19、罐的比擬放大P0 /V 與傳質(zhì)系數(shù)之間存在著密切的關(guān)系，但 P0 /V 相等并不意味著傳質(zhì)系數(shù)相等有人已經(jīng)證明，當(dāng)對這一傳質(zhì)過程起控制作用的雷諾準(zhǔn)數(shù)的指數(shù) 0.75時，如果 P0 /V 相等，以單位傳質(zhì)界面表示的傳質(zhì)系數(shù)kL相等，即(kL)1=(kL)2;證明如下：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大對于相同的液體，物理性常數(shù)( d、等)相等，另外，在幾何相似的設(shè)備里，幾何尺寸之比為常數(shù)。Rushton關(guān)于單位傳質(zhì)面積的傳質(zhì)系數(shù)的因次分析式（page 74,4-28式）可簡化為：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生

20、物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大即是說，當(dāng)0.75時，不論 D2/D1 如何，單位體積等功率的放大方法都可以應(yīng)用，能滿足 (kL)1=(kL)2生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大三、比擬放大的其他準(zhǔn)則1.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（ND）的影響較為明顯。如果僅僅保持kLa相等或P0/V相等，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的失誤。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在P0/V相等條件下，D/T比愈小，則N必須增大才能滿足P0/V相等，這就造成剪率增大，這有利于菌絲團的破碎和氣泡的分散，這樣不但有利于傳氧速率加快，也有利于代謝產(chǎn)物向外擴散，這對

21、產(chǎn)物抑制的發(fā)酵可能有重要意義。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大所以對于這類發(fā)酵體系，攪拌渦輪周線速度也被認為是比擬放大的基準(zhǔn)之一。但也不是 D/T 值愈小愈好，D/T 過小，則混合時間延長，這會對生產(chǎn)發(fā)生不利影響。周線速度一般在250-500 cm/s 范圍內(nèi)。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大2.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)，兩者達到分子水平的均勻混合所需要的時間。低粘度液體在小罐內(nèi)的混合時間很短，罐愈大，混合時間就愈長。實際上，按等混合時間放大是很難做到的，因為要做到這一點，放大罐的渦輪轉(zhuǎn)速要比小罐提高很多

22、。但可作為一個核算指標(biāo)，對某些體系確實必要。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大如，在一個大型的，特別是D/T比值不大的分批發(fā)酵罐里，采用濃基質(zhì)流加發(fā)酵時，如果只有單流點（只有一個加料頭），則混合時間可能長達數(shù)分鐘，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)較大的濃度梯度，這必然影響到宏觀反應(yīng)動力學(xué)，不僅如此，在某些具體的發(fā)酵體系中，還可能導(dǎo)致生產(chǎn)菌株代謝途徑的改變；在基質(zhì)抑制的情況下，會使反應(yīng)速率明顯下降。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大有人對把系統(tǒng)攪拌混合到分子水平均勻的混合時間進行了試驗，并按混合時間相等的原則進行了放大，當(dāng)Re105時，最終得到如下關(guān)系：可見，放大罐的體積愈大，混合時

23、間就愈長。在具體實踐中，為降低混合時間，在某些情況下，較合理的措施是增加進液點。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大壓頭：工程上將每公斤力的流體所具有的各種形式的能量統(tǒng)稱為壓頭，如H稱為位壓頭；P/g 稱為靜壓頭；攪拌液流速度壓頭（H）正比于渦輪葉尖線速度的平方，即：3.攪拌速度液流壓頭（H）、攪拌液流循環(huán)量（Q）以及 Q/H 比值對比擬放大的意義生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大攪拌液流循環(huán)量 Q 正比于渦輪的旋轉(zhuǎn)面積及葉緣線速度，即：H 愈大，液體的湍動程度愈高，剪率愈大，有利于菌絲團及氣泡的分散，有利于傳質(zhì)。上面關(guān)于H、Q 表達式表明：增加攪拌直徑D，對增加

24、輸液量 Q，即對混合更為有利；增加攪拌轉(zhuǎn)速N，對提高流速壓頭H，即對提高溶氧更為有利。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在比擬放大設(shè)計中，既需要提高 H，也需要增大Q；既需要增加 N，也需要增加D，然而受到功率定額的限制，對 N、D兩者都不能任意增大。在 P0 /V 不變的條件下，增大 D 就必須相應(yīng)降低 N，反之亦然。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大如果還要照顧到符合幾何相似，則 D/T 比例不變，更不能任意增加大罐的 D；既要符合幾何相似，又要同時實現(xiàn)傳質(zhì)相似，實際上是不可能的，因此，在這種情況下，往往需要多少犧牲一下幾何相似的原則，以取得較好的傳質(zhì)相似及

25、良好的混合，因為后者是比擬放大成敗的關(guān)鍵。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大實際上對某些絲狀菌發(fā)酵體系，溶氧速率固然重要，但對剪率及混合時間也相當(dāng)敏感，在這樣的條件下，Q/H 比值就成為比擬放大中的一個重要的附加指標(biāo)。換言之，如果小罐中獲得了好的成績，可以認為此小罐的 Q/H 比值是適合的，此比值就成為比擬放大的重要附加指標(biāo)。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大Q/H 值是表征湍流強度、混合效果和對菌體剪切程度的一個綜合指標(biāo)；其調(diào)節(jié)步驟如下：當(dāng)選擇大型罐的功率時，如把初步選定的功率視為定值，則：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專業(yè)課程生化

26、工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大該式表明：Q/H 隨著攪拌直徑 D 的 8/3次方而變化，參照小型罐的 Q/H 值，選定大罐適當(dāng)?shù)?D 和 N，利用上式進行Q/H 核算，如果仍不夠滿意，允許再動D、N 和 P0，直到湍流強度、混合效果、菌體剪應(yīng)極限值等都基本符合或接近原型試驗或原生產(chǎn)指標(biāo)為止。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大當(dāng)然采用加強攪拌混合的辦法時，還應(yīng)考慮其他因素，例如罐高度或液面高度對罐直徑之間的適當(dāng)比例 HL/T、攪拌渦輪數(shù)目，一級攪拌渦輪之間的距離 S 。這些因素對溶氧速率、混合效果和功率也都有直接或間接的影響。所以，在調(diào)整 Q/H 值時，必須結(jié)合這些因素一并考慮。

27、總起來說，對于非牛頓醪，攪拌直徑要偏大些，攪拌渦輪間的距離要偏小些，攪拌渦輪只數(shù)也相應(yīng)的偏多，而功率也就可能偏大。生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大例題P71例4-3解： 既然體系為溶氧速率控制，對剪應(yīng)敏感，故以P0/V相等為放大罐的準(zhǔn)則，同時把 QV/H及DN (葉輪尖端線速度)作為核算指標(biāo)， 以保證剪率增大不超過50，同時混合時間不過分增長。 生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大小罐的主要特征： 生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大，則 又因為 則 可寫成(為比例系數(shù))生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大那么 線速度為： 按P0/V相等放大至30m3，幾何相似，則： 生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大小罐： 大罐：生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大因為按P0/V相等放大生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大因為幾何相似，或在基本相似的條件下，兩罐的比例系數(shù)應(yīng)相等，即 K1 = K2 ,這時 :比下降約90(比較上面數(shù)字)。這樣混合時間有較大的延長。 生物工程專業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大另外，(DN)1比(DN)2的