生物反应器比拟放大

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1、第五章生物反应器比拟放大本章重点1、发酵罐的放大基础和准则2、以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为基准的放大法3、以搅拌功耗P0/VL相等的准则进行反应器放大4、酶反应器的放大基础和准则难点：反应器放大设计计算方法放大过程中与培养-发酵环境相关的主要因素与细胞形态学、细胞生理学和过程动力学之间的关系与生物反应器中的流体力学性质、传递现象及发酵液的理化性质之间的关系。一、放大目的产品的质量高，成本低。必须使菌体在大中小型反应器中所处的外界环境完全或基本一致。第一节生物反应器放大的目标及方法二、生物学基础单位体

2、积输入的功率P/V或液相体积氧传递系数KLa有效放大区末产物的相对浓度三、放大准则与方法1、放大准则搅拌功耗P0/V、体积溶氧系数KLa、搅拌叶尖端线速度νs、混合时间tM、相等准则。2、放大方法主要有经验放大法、因次分析法、时间常数法、数学模拟法第二节通气发酵罐的放大设计一、机械搅拌通气发酵罐的功率计算经验放大法(一)几何相似放大按反应器的各个部件的几何尺寸比例进行放大。放大倍数实际上就是反应器的增加倍数。（二）以单位体积液体中搅拌功率P0/VL相等的准则进行反应器放大这种方法适用对于以溶氧速率控制

3、发酵反应的生物发酵，粘度较高的非牛顿型流体或高细胞密度的培养P0/VL＝常数1.对于不通气的搅拌反应器2.对于通气搅拌反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大，即：对于不通气时的机械搅拌生物反应器，轴功率计算对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大（三）以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为基准的放大法在耗氧发酵过程中，由于培养液中的溶解度很低，生物反应很容易因反应器

4、溶氧能力的限制受到影响，所以以反应器KLa的相同作为放大准则，可以收到较好的效果。这种方法适用于高好氧的生物发酵过程的反应器的放大。在耗氧发酵过程中，培养液中的溶解度很低，生物反应很容易因反应器溶氧能力的限制受到影响，以反应器KLa的相同作为放大准则，可以收到较好的效果。以KLa值相同放大时，一定要选一个合适的KLa值，可根据微生物发酵产物的产率与KLa大小的关系(四)以搅拌叶尖线端速度相等的准则进行反应器放大适用于生物细胞受搅拌剪切影响较明显的发酵过程的放大，例如丝状菌的发酵。搅拌叶尖线端速度（πDn）是

5、决定搅拌剪切强度的关键。叶尖端线速度（五）混合时间相同的准则混合时间是指在反应器中加入物料，到它们被混合均匀时所需的时间。在小反应器中，比较容易混合均匀，而在大反应器中，则较为困难.对于几何相似的反应器，时，从上式可以得出：（六）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准态），即：，m3/（m3·min）操作状态下空气的线速度，m/h。，m3/（m3·min），m3/（m3·min）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大时，有（七）以空气线速度相同的原则进

6、行放大以空气线速度相同的原则进行放大时有由上式可知，当体积放大100倍时，即若忽略液柱压力，即即通风量减少4.64倍，其结果是通风量过小。酶反应器的放大基础和准则酶反应器放大设计计算方法第三节酶反应器的放大一、酶促反应动力学基础与一般化学反应相比，酶促反应要复杂一些，影响酶促反应的主要因素有：酶浓度，底物浓度，温度压力，溶液的介电常数与离强度，PH、内部结构因素等。最根本的是浓度因素1、零级反应：酶促反应速率与底物浓度无关。2、一级反应：反应速率与底物浓度的一次方成正比。即酶催化A→B的过程二、单底物酶

7、促反应动力学1、米氏方程根据“酶-底物中间复合体”的假设，对酶E催化底物S生成产物P的反应S→P，其反应机制可表示为k+1k+2E+SESE+Pk-1E[S]X[P]k+1k-1k+2-----相应各步的反应速度常数E[S]X[P]----对应物质的浓度P的生成速度可表示为：rp=k+2X三点据说：（1）底物浓度[S]远大于酶浓度E时，X的形成不会降低底物浓度[S]，底物浓度以初始浓度计算；（2）不考虑E+P→ES这个可逆反应的存在。（3）ES→E+P是整个反应的限速阶段米氏方程：三、固定化酶促反应动力学固

8、定化酶促反应过程中，需考虑扩散传质与催化反应的相互影响，有外部与内部扩散的不同传质方式，内部扩散与催化反应有时是同时进行的，外扩散通常先于反应。1、外部扩散过程底物由液体主体向固定化酶颗粒表面的扩散速率Ns正比于传质表面积及传质推动力，即扩散速率Ns=KLa（[S]—[S]s）KL-----液膜传质系数a------传质比表面积[S]----液体主体中的底物浓度[S]s----固定化酶表面处底物浓度在稳定状态下，