生物反應(yīng)器比擬放大(已修改)
2025-01-28 15:14 本頁(yè)面
【正文】 第五章 生物反應(yīng)器比擬放大 本章重點(diǎn) 發(fā)酵罐的放大基礎(chǔ)和準(zhǔn)則 以體積溶氧系數(shù) KLa（或 Kd）相等為基準(zhǔn)的放大法 以攪拌功耗 P0 /VL相等的準(zhǔn)則進(jìn)行反應(yīng)器放大 酶反應(yīng)器的放大基礎(chǔ)和準(zhǔn)則 難點(diǎn)：反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)計(jì)算方法 放大過(guò)程中與培養(yǎng) 發(fā)酵環(huán)境相關(guān)的主要因素 ? 與細(xì)胞形態(tài)學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)和過(guò)程動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系 ? 與生物反應(yīng)器中的流體力學(xué)性質(zhì)、傳遞現(xiàn)象及發(fā)酵液的理化性質(zhì)之間的關(guān)系。 一、放大目的 產(chǎn)品的質(zhì)量高，成本低。必須使菌體在大中小型反應(yīng)器中所處的外界環(huán)境完全或基本一致。 第一節(jié) 生物反應(yīng)器放大的目標(biāo)及方法 二、生物學(xué)基礎(chǔ) 單位體積輸入的功率 P/V 或液相體積氧傳遞系數(shù) KLa 有效放大區(qū) 末產(chǎn)物的 相對(duì)濃度 三、放大準(zhǔn)則與方法 放大準(zhǔn)則 攪拌功耗 P0/V、 體積溶氧系數(shù) KLa、 攪拌葉尖端線速度νs、 混合時(shí)間 tM、 相等準(zhǔn)則。 放大方法 主要有經(jīng)驗(yàn)放大法、因次分析法、時(shí)間常數(shù)法、數(shù)學(xué)模擬法 第二節(jié)通氣發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì) 一、機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐的功率計(jì)算 經(jīng)驗(yàn)放大法 (一 )幾何相似放大 按反應(yīng)器的各個(gè)部件的幾何尺寸比例進(jìn)行放大。放大倍數(shù)實(shí)際上就是反應(yīng)器的增加倍數(shù)。 1212HHDD?? 常數(shù)32211VD mVD????????11 32H mH ?11 32D mD ?（二）以單位體積液體中攪拌功率 P0 /VL相等的準(zhǔn)則進(jìn)行反應(yīng)器放大 ? 這 種方法適用對(duì)于以溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的生物發(fā)酵，粘度較高的非牛頓型流體或高細(xì)胞密度的培養(yǎng) ? P0/VL ＝ 常數(shù) 1. 對(duì)于不通氣的攪拌反應(yīng)器 2. 對(duì)于通氣攪拌反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大 ? 對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大，即： ? 對(duì)于不通氣時(shí)的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，軸功率計(jì)算 ,3 5 3i L iP n D V D??()21 3212DnnD? ()32211DPPD?對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大 ..( ) ( )21G0 7 5 0 0 81212GQDnnDQ?..( ) ( )2211G2 7 7 0 2 42gg1GQDPPDQ?（三）以體積溶氧系數(shù) KLa（或 Kd）相等為基準(zhǔn)的放大法 ? 在耗氧發(fā)酵過(guò)程中，由于培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應(yīng)很容易因反應(yīng)器溶氧能力的限制受到影響，所以以反應(yīng)器KLa的相同作為放大準(zhǔn)則，可以收到較好的效果。 這種方法適用于高好氧的生物發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng)器的放大。 在耗氧發(fā)酵過(guò)程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應(yīng)很容易因反應(yīng)器溶氧能力的限制受到影響，以反應(yīng)器 KLa的相同作為放大準(zhǔn)則，可以收到較好的效果。 以 KLa值相同放大時(shí)，一定要選一個(gè)合適的 KLa值，可根據(jù)微生物發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率與 KLa大小的關(guān)系 (四 )以攪拌葉尖線端速度相等的準(zhǔn)則進(jìn)行反應(yīng)器放大 ? 適用于生物細(xì)胞受攪拌剪切影響較明顯的發(fā)酵過(guò)程的放大，例如絲狀菌的發(fā)酵。 ? 攪拌葉尖線端速度（ πDn）是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。 ? 葉尖端線速度 1 1 2 2n D n D?2112nDnD? （五）混合時(shí)間相同的準(zhǔn)則 ? 混合時(shí)間是指在反應(yīng)器中加入物料，到它們被混合均勻時(shí)所需的時(shí)間。在小反應(yīng)器中，比較容易混合均勻，而在大反應(yīng)器中，則較為困難 . 32 1 1 13 6 2 2 22()M i i L it n D g D H D?21 MM tt ?1 42112()nDnD?對(duì)于幾何相似的反應(yīng)器 ， 時(shí)，從上式可以得出： （ 六）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大 ? 單位培養(yǎng)液體積在單位時(shí)間內(nèi)通入的空氣量（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)），即 ： 0LQVVMV?， m3/（ m3min） ?操作狀態(tài)下空氣的線速度 gu， m/h。 ( ) . . ( ) ( )40 Lg 2iLiL60 Q 273 t 9 8 10 27465 6 VV M 273 t VuDpD 273 p4?? ? ? ??????， m3/（ m3min） . ( )2g L i0Lu p DQ2 7 4 6 5 6 2 7 3 t V? ?? . ( )2g L iLu p DVVM2 7 4 6 5 6 2 7 3 t V? ??， m3/（ m3min） ? 以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大時(shí)，有 ( ) ( )21VV M VV M?()() iLg 2L i
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