【正文】 第五節(jié) 生物反應器的控制及優(yōu)化 。 ? 這說明在放大中選用什么準則是要積累較多的經(jīng)驗的，多參考一些放大的實例，加上對所做體系特點的深入分析目前放大的比例已有較大提高，放大 100倍甚至更大，成功的例子已有不少。 ? 圖 16為由 10小罐 (n＝ 500r／ min，通氣 1VVM)放大到10000L(即放大 1000倍 )時按照不同放大準則得出的結論按攪拌轉速來作的比較。 ? 除上面的幾個準則外．還有入主張考慮 NRe及動量因子來放大，這里不一一介紹。傳統(tǒng)生物化工生產(chǎn)中往往以 1： 10的倍數(shù)放大。 80年代以來國外有種趨勢即高功率輸入達 2— 4KW/m3，低氣量 (VVM是生物化工中常用的空氣計量單位，含義是每分鐘單位體積發(fā)酵液得到的空氣體積數(shù) ,min1)(m3空氣／ (min ? 其中式 (1— 39)常常被一些作者引用來討論傳氧的強化。 (2) 攪拌罐中的傳氧系數(shù) kLa ? 攪拌罐中的傳氧系數(shù)與體系的特性、罐及攪拌槳的幾何尺寸、操作參數(shù)等有關，不少研究者得出了許多關聯(lián)式，因所用的罐體系和幾何尺寸不同得到的式子有些是矛盾的。因亞硫酸鈉溶液中溶氧量為 0，所以這里給出的是最高的 kLa ，實際體系值要低于此。氧的傳遞又常限制細胞的生長，所以這里我們先研究一下?lián)u瓶培養(yǎng)中的傳氧，再研究發(fā)酵罐中的傳氧。 (2) 牛頓型流體通氣情況下功耗 Pg ? 經(jīng)驗得知，通氣情況下攪拌功率大大下降，而且隨著通氣的提高功耗下降得越多。 ? 這樣，只要知道幾何參數(shù)及操作條件就可以求得不通氣情況下的功率了。實驗得出不同槳葉攪拌槳兩準數(shù)關系如圖 1— 16。本章僅就比較通用而且簡單的情況作一介紹。再研究牛頓型流體通氣時功耗 Pg再研究非牛頓型流體不通氣及通氣時的功耗。一般細菌、酵母在低濃度下為牛頓型流體，絲狀菌或高密度培養(yǎng)時發(fā)酵液呈非牛頓型流體性質(zhì)。流體流動性質(zhì)依其切變速率與剪切力之間的關系可分為牛頓型流體與非牛頓型流體。在低速攪拌下，流體呈層流，消耗功率少；在高速攪拌下，流體呈湍流，混合好，消耗功率也增加；層流與湍流中間還有一過渡流區(qū)，這些在化工原理中有詳細介紹。有人做過用 ，發(fā)現(xiàn)對不同菌株有不同的最佳產(chǎn)酸攪拌轉速．但菌量隨轉速的變化并不隨轉速而不同。決定混合時間的因素比較多，除流體物性以外主要是攪拌轉速、攪拌槳直徑及罐體直徑，表 1— 4給出一些實驗結果。 ? 顯然混合時間短些好。 圖 1— 15 混合時間的測量及其與混合度的關系 ? 混合時間 tm定義為：達到一定混合度 m所需的時間。 ? 混合度常用示蹤法測定，其定義為 （ 132） ? 式中 C0為反應器內(nèi)示蹤物的初始濃度； ? C ∞為加入一定量示蹤物后平衡濃度 。 2．罐內(nèi)流體的混合 ? 罐內(nèi)流體的混合一方面是為了加強氧的傳遞，另一方面使流體混合均勻避免局部過濃或過稀的現(xiàn)象并強化菌體與營養(yǎng)物的接觸。其原理是作發(fā)酵罐內(nèi)氧的物料平衡： 氧的積累量＝供氧量一耗氧量 ? 即 （ 130） ? （ 131） 圖 1— 14 動態(tài)法計算傳氧系數(shù) KLa圖 ? 動態(tài)法測定所用傳感器簡單，但計算量大。 (2)動態(tài)法 ? 直接測定法計算簡單，但所用傳感器較多，尤其尾氣氧分析儀價格較高精密度有限。對耗氧多的深層發(fā)酵，因入口與出口氣中含氧量變化大，為測準 Kla 。測得入口及出口各參數(shù)后用上式即可算出 Kla 。 ?(1) 直接測定法 根據(jù)反應器內(nèi)氧的衍算可得到容積供氧速率： ? 式 (1— 29)中 C可用溶氧電極測出 ,Y通過氣體氧分析儀表測定 。 第四節(jié) 生物反應器的放大 ? 一、概述 ? 1. 氧的供給 ? 2．罐內(nèi)流體的混合 ? 二、攪拌及傳氧 ? 1. 攪拌 ? 2. 氧的傳遞 ? 三、生物反應器的放大原則 一、概述 ? 1. 氧的供給 ? 氧是如何得到供應的呢 ?實驗得知，在深層培養(yǎng)中菌體攝取的是溶解的氧，即氣相的氧先溶解在發(fā)酵液中再傳遞給菌體。 ? 為克服隨著生產(chǎn)能力 P的提高出口菌濃度下降、基質(zhì)濃度有所提高，對于產(chǎn)物提取及原料利用都是不利的矛盾，可以從設備及操作方面來改進。 ? 上述方程都是代數(shù)方程，故解法簡單是恒化器的優(yōu)點。 Dm及相應的濃度 xm為： (1— 26) ， (1— 27) ? Dm＝ 181。 ? 對于一定反應體積的恒化器，稀釋率提高表示流入及流出的體積流量增大，但流出的菌濃度又是逐漸下降的．恒化器對細胞的生產(chǎn)能力 p為： ? p＝ Dx （ 124） ? P表示單位體積反應器單位時間所產(chǎn)生的細胞量。由式 (1— 21)可以求出當 x＝ 0時的D值，即最大的稀釋率 Dmax。而 D 由很低值增加，開始時 S隨 D線性增高，當 D → 181。對簡單的符合 Monod關系的情況由式 (1— 18)可以推出： 幻燈片 85 （ 120） ? ? （ 120） ? 上式是在 x0＝ 0情況下符合 Monod關系的恒化器模型，與式 ? 1— 19)結合得到： ? ? （ 121） ? （ 122） ? ? 上面兩個式子給出了 x和 S與 D的關系。 x，它表示單位時間單位體積流出的菌量與單位體積生成的菌量是相等的，這當然是一種穩(wěn)態(tài)操作，而且隨著 D的改變 181。由 D＝ 181?？紤]在簡單情況下的穩(wěn)態(tài)操作可作如下假設： ? 1 幻燈片 85 ? 第二、三假設在菌體快速生長期可認為是正確的。 在穩(wěn)態(tài)操作情況下可以假設： ? F／ V表示單位體積反應器單位時間加入的流體量，它表示反應器內(nèi)物料被“稀釋”的程度，故定義為稀釋率，用 D表示，即 D ≡ F／ V （ 115） 這樣由 (1— 14)式得到恒化器在穩(wěn)態(tài)操作下一個很重要的關系： D ＝ 181。