《发酵工艺学》课程教学课件（PPT讲稿）第十章 发酵过程的比拟放大（生物反应器的比拟放大）

第十章生物反应器的比拟放大

1 第十章 生物反应器的比拟放大

主要内容 冬生物反应器的放大目的及方法 >生物反应器的放大目的、内容 >生物反应器放大方法 通风发酵罐的放大设计 >机械搅拌通风发酵罐的放大设计 >气升式发酵罐的放大设计

2 主要内容 ❖生物反应器的放大目的及方法 ➢ 生物反应器的放大目的、内容 ➢ 生物反应器放大方法 ❖通风发酵罐的放大设计 ➢ 机械搅拌通风发酵罐的放大设计 ➢ 气升式发酵罐的放大设计

一.生物反应器的放大目的及方法 3

3 一 . 生物反应器的放大目的及方法

生物反应器的比拟放大？ 生物反应过程的比拟发大：以实验室或中拭反应设 备所取得的实脸数据为依据，设外制造大规模的反 应系统，确定相应的工艺条件，以进的工业规模生 产

4 生物反应过程的比拟放大：以实验室或中试反应设 备所取得的实验数据为依据，设计制造大规模的反 应系统，确定相应的工艺条件，以进行工业规模生 产。 生物反应器的比拟放大?

生物发酵过程的复杂性 生物发酵过程的放大涉及悟养一发酵环境 与细胞形态学、细胞生理学和过程动力学 之向的关系。培养一发酵环境又与生物反 应器中的流体力学性质、传递视象（热量和 质量传递)和语养一发酵液的理化性质有密 切关系

生物发酵过程的复杂性 生物发酵过程的放大涉及培养-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

由于细胞的种类不同，典彤态与生理特性差 导很大，致使培养一发酵液的理化性质相当 复乐，常随时向变化，加上悟养一发酵过程 中以活细胞作为生物催化剂，而活细胞的代 射途径以及遗传持性对环境的影响十分故感， 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 反应器的优化出的悟养环境成功地转移到三 业反应器中

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 反应器的优化出的培养环境成功地转移到工 业反应器中

√生物反应器的放大目的 应用猩论分析和实骏研究相结合的方法，总洁 生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研 究解决有关的质量传递、动量传递和热量传递 问题，以便在反应器的放大过程中尽可能雅持 生如细胞的生长速率、代射产物的生成速率， 这就是生物反应器的放大目的。 7

7 ✓生物反应器的放大目的 应用理论分析和实验研究相结合的方法，总结 生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研 究解决有关的质量传递、动量传递和热量传递 问题，以便在反应器的放大过程中尽可能维持 生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率， 这就是生物反应器的放大目的

√生物反应器放火方法 ·理纶放大法 ·半理纶发大法 ·因次分析法 ·经验孜大法 D 8

8 ✓生物反应器放大方法 • 理论放大法 • 半理论放大法 • 因次分析法 • 经验放大法

•理论发大法 所渭理纶孜大法，就是建立及束解反应系统的动量、质量知能 量车衡方程。 (1)在放宽的橹养条件下对所用的生物阳胞进竹弑路，以掌 握烟胞生长动力学及产如生成动力学等特性； (2)根据试跆结果，确定孩生物发酵的最优的悟养基配方和 语养象件； (3）建立有关的质量传递、热量传递、动量传递等微观衡算 方程并进行朱解，导出能表达反应器内的环境条件和主要操作 变量之向关系的模型。然后，应用此数学模型，外算优化条件 下主要操作变量的取值。 9

9 生物反应器的设计过程 由3步构成： （1）在较宽的培养条件下对所用的生物细胞进行试验，以掌 握细胞生长动力学及产物生成动力学等特性； （2）根据试验结果，确定该生物发酵的最优的培养基配方和 培养条件； （3）建立有关的质量传递、热量传递、动量传递等微观衡算 方程并进行求解，导出能表达反应器内的环境条件和主要操作 变量之间关系的模型。然后，应用此数学模型，计算优化条件 下主要操作变量的取值。 •理论放大法 所谓理论放大法，就是建立及求解反应系统的动量、质量和能 量平衡方程

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丁的设计计算，这是人们的普遍朗 望。由于生物反应过程的复杂性，能克分描述生化反应过程的 动力学方程异常复杂，求解傲分衡算方程及其围难或不可能； 同时，生物反应要求的最佳环境条件与操作参变量的取值要求 有矛盾，所以这种以数学解析为基础的方法至今仍成数不大， 解决生物反应器放大问题的本质在于寻找反店器的几何尺瘦、 操作象伴与环镜因素的确切关系，以使在实验室中优化出的悟 养环境能存工业中重演

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，能充分描述生化反应过程的 动力学方程异常复杂，求解微分衡算方程及其困难或不可能； 同时，生物反应要求的最佳环境条件与操作参变量的取值要求 有矛盾，所以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，以使在实验室中优化出的培 养环境能在工业中重演