發酵過程的實驗室研究、

中試和放大常規放大進程第一節小試（實驗室研究）一、小試設備：

生化培養箱、搖床/搖瓶柜、小型發酵罐。

(一)、搖瓶機：往復式：80-120rpm，沖程80-120mm；用于培養細菌、酵母等單細胞菌體；旋轉式：60-300rpm，偏心距30-60mm。傳氧速率好、培養液不會濺瓶口。（普遍采用）搖瓶實驗影響微生物生長的物理因素：1.瓶塞是氧傳遞的限制因素2.水蒸發的影響影響培養液的體積，改變氧傳遞效率，改變菌體產物濃度3.比表面積的影響(二）、小發酵罐10L以下罐：玻璃罐較多，大多2級攪拌，六平葉，一般最大600rpm，環形空氣分布管。30-150L罐：不銹鋼罐，3級攪拌，六平葉/彎葉，一般最大500-550rpm，空氣分布器：直管。都配有DO、pH、T、泡沫等傳感器。（可直接檢測控制溫度、攪拌轉速、通氣流量、罐壓、消泡、pH、DO、發酵液體積、補料量、排氣CO2

和O2

等十多個在線參數）發酵罐（液體發酵）的種類：密閉厭氧發酵罐通氣攪拌發酵罐機械攪拌通風發酵罐

自吸式發酵罐氣升式發酵罐

密閉厭氧發酵罐2.1機械攪拌通風發酵罐圖6-1小型發酵罐結構圖1.三角皮帶轉軸；2.軸承支柱；3.聯軸節；4.軸封；5.窺鏡；6.取樣口；7.冷卻水出口；8.夾套；9.罐壁；10.溫度計；11.軸；12.攪拌器；13.底軸承支架；14.放料口；15.冷水進口；16.通風管；17.熱電偶接口；18.擋板；19.接壓力表；20.手孔；21.電動機；22.排氣孔；23.取樣口；24.進料口；25.壓力表接口；26.窺鏡；27.手孔；28.補料口圖6-2；大型發酵罐結構圖1.軸封；2.人孔；3.梯子；4.聯軸節；5.中間軸承；6.熱電偶接口；7.攪拌器；8.通風管；9.放料口；10.底軸承；11.溫度計；12.冷卻管；13.軸；14.取樣；15.軸承柱；16.三角皮帶傳動；17.電動機；18.壓力表；19.取樣口；20.人孔；21.進料口；22.補料口；23.排氣口；24.回流口；25.窺鏡攪拌器和擋板

1攪拌器的作用，型式及特點

攪拌器的作用

打碎氣泡，產生漩渦，提高氧的利用率促進傳質和傳熱液體流型：徑向流、軸向流、切向流

流型徑向流（葉片對液體施以徑向離心力，流體流動的方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環流動。）特點：剪切作用較強，混合效果較差流型軸向流（流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環流）特點：剪切作用較弱，混合效果較好流型切向流（無擋板的容器內，流體繞軸作旋轉運動，流速高時液體表面會形成旋渦，此時流體從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區的流量很小，混合效果很差。）特點：剪切作用和混合效果很差螺旋槳攪拌器軸向流的代表優點：混合效果好缺點：剪切作用差，不能阻止氣流沿攪拌軸上升，不能打碎氣泡，不利于溶氧，只用于培養基的配制，料液的混合。軸向流攪拌器的型式和特點徑向流攪拌器的型式與特點圓盤平直葉渦輪攪拌器：是徑向流的代表，在圓盤上焊有六片平直葉，圓盤可阻止氣體沿攪拌軸上升，軸向流差，不利于混合，剪切作用強，有利于打碎氣泡，溶氧效果好，功率消耗大。圓盤彎葉渦輪攪拌器：徑向流較差，軸向流較強，混合效果較好，剪切作用不如平直葉，溶氧效果不如平直葉，功率消耗小。圓盤箭葉渦輪攪拌器：軸向流強，徑向流差，剪切作用小，混合效果最好，溶氧效果差，功率消耗最小。++++++++++箭葉++++++++++++彎葉++++++++++++++平直葉輸出溶氧混合剪切徑向流軸向流型式菌絲體發酵單細胞發酵應用幾種渦輪攪拌器作用比較2擋板

（a）（b）（c）（a）周邊無檔板；（b）螺旋槳攪拌器周邊有垂直檔板；（c）渦輪攪拌器周邊有垂直檔板43擋板的作用：改變液流的方向，將切向流改為軸向流,防止產生漩渦。提高攪拌混合效果，提高湍流強度.數目通常為4～6塊，其寬度為0.1～0.12D。全擋板條件：是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時，攪拌功率不再增加。（消除液面漩渦的最低條件）。式中：D—罐的直徑（mm）Z—擋板數W—擋板寬度（mm）用來校驗檔板數是否夠3消泡器作用：打碎泡沫，防止逃逸型式：鋸齒狀，梳狀，孔板狀，一般安裝在攪拌軸上高出液面的部位，隨攪拌軸轉動而轉動，將泡沫打碎。長度：

L=0.65D4空氣分布管作用：使通入的空氣均勻分布型式：單管式正對罐底，距罐底40mm，罐底襯不銹鋼圓板，防空氣沖擊

環式易堵。需要變速的原因：電機的轉速大于攪拌器所需轉速。電機分四級，轉速分別約為：

800、1000、1400、1600rpm；而攪拌轉速則一般為90-110rpm。發酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動。5傳動裝置（1）變速裝置（2）攪拌軸：有上懸式和下伸式兩種作用：對軸固定，防止擺動，同時又不影響轉動軸承結構6.軸封

軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。形式：填料函軸封、機械軸封兩種。

1-軸2-填料壓蓋3-壓緊螺栓

4-填料箱體

5-銅環6-填料填料函軸封機械軸封又稱端面軸封，由彈性元件、動環和靜環組成。動環固定在軸上，隨軸一起轉動。靜環裝在殼體上。動環依靠彈簧的壓力與靜環緊密接觸，阻止流體泄漏。由兩個環的端面互相密切貼合而達密封目的。

依靠三個密封點達到完全密封：1

動環與靜環之間的密封2

靜環與壓蓋之間的密封3

動環與軸之間的密封1-彈簧2-動環3-硬質合金4-靜環5-O形密封圈

攪拌器軸功率的計算全檔板條件下，對于牛頓型流體通過因次分析，得：式中P0：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（瓦）

ρ：液體的密度（公斤/米3）

μ：液體的粘度（牛.秒/米2）

D：渦輪直徑（米）

N：渦輪轉數（轉/秒）

K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及流體的流態1.單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計算是一個無因次數，可定義為功率準數NP。該準數表征著機械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。式中ω：渦輪線速度

a：加速度

V：液體體積

m：液體質量

是一個無因次數，稱為功率準數NP

。是一個無因次數，稱為攪拌雷諾數ReMNP~ReM

的關系：實測找出規律，即經驗系數K，m當ReM＜10時，液體為層流狀態，m=-1；當ReM＞104時，液體為湍流狀態，m=0；多數發酵罐攪拌器在此范圍，故Np=常數＝K，查圖得Np

。ReM＞104，達到充分湍流之后

P0=NPD5N3ρ2，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算使用多個渦輪時，兩者間的距離S，對非牛頓型流體可取為2D，對牛頓型流體可取2.5~3.0D；靜液面至上渦輪的距離可取0.5~2D，下渦輪至罐底的距離C可取0.5~1.0D。符合上述條件的發酵罐，用經驗公式計算或實測結果都表明，多個渦輪輸出的功率近似等于單個渦輪的功率乘以渦輪的個數。邁凱爾的修正關系式3，通氣液體機械攪拌功率的計算計算舉例某細菌醪發酵罐罐直徑T＝1.8(米)圓盤六彎葉渦輪直徑D＝0.60米，一只渦輪罐內裝四塊標準擋板攪拌器轉速N＝168轉／分通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內狀態的流量)罐壓P＝1.5絕對大氣壓醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求計算Pg(1)計算ReMReM=5.25×104(2)由NP~ReM查NP

，NP=4.7(3)計算P0P0=NPD5N3ρ=8.07（千瓦）(4)計算Pg7換熱裝置（1）作用：實消時預熱和冷卻，發酵過程中的冷卻和加熱。（2）型式：夾套、豎式蛇管、列管夾套：5m3以下的罐子采用，冷卻水流速低，傳熱系數小，換熱效果差。但能減少罐內附件，減少死角。冷卻蛇管：罐內裝4-6組，水流速度快，但管徑小，流量小，適用于冷卻水溫度低的地區。冷卻列管：罐內裝4-6組，管徑大，耗水量大，降溫快，適用于冷卻水溫度高的地區。冷卻面積的計算

傳熱系數的經驗值或計算

夾套K為4.187*（150-250）kJ/m2hK

蛇管K為4.187*（300-450）kJ/m2hKT、t1、t2

分別為醪溫、冷卻水進出口溫度Q總——每1m3醪液在發酵最旺盛時，1h的發熱量與醪液總體積的乘積cp——冷卻水的比熱容t2——冷卻水終溫，t2=27℃t1——冷卻水初溫，t1=20℃W——冷卻水體積流量V——冷卻水流速25罐體的尺寸比例（重點）通用發酵罐通常取值系數范圍攪拌器直徑d=1/3D1/2－1/3罐筒身高

H0=2D1.7－3擋板寬度B=0.1D1/8－1/12

攪拌器間距S=2d1.5－2.5

下攪拌器距底間距C=d0.8－1.0擋板與罐壁的距離（1/5-1/8）BHL：裝料的液面高度。ha：封頭凸出部分的高度，標準橢圓封頭有ha＝0.25D。Hb：封頭直邊高度，據壁厚一般取25、40、50mm。

機械攪拌通風發酵罐的優缺點優點:操作彈性大，pH值和溫度易于控制；有較規范的工業放大方法；適合連續培養。缺點:驅動功率大；內部結構復雜，難于徹底洗凈,易造成污染；在絲狀菌的培養中由于攪拌器的剪切作用，細胞易損傷2.2自吸式發酵罐定子的作用：將氣體與液體混勻，甩出，將大氣泡打碎，促進溶氧。轉子的作用：將轉子內的液體甩出，形成內部真空，將氣體吸入。

優點:利用機械攪拌的抽吸作用將空氣自吸入反應器內,達到既通風有攪拌的目的，從而省去了壓縮機。缺點:進罐空氣處于負壓，因而增加了染菌機會，且攪拌轉速甚高，有可能使菌絲被切斷，使正常的生長受到影響。2.3氣升式發酵罐優點：能耗低，液體中的剪切作用小，結構簡單，且由于省去了機械攪拌而不需機械密封，避免了因機械密封不良造成的雜菌污染。缺點：它不適用于高粘度或含大量固體的培養液。1、實驗室研究的目的：菌種保藏菌種在固體培養基上培養和繁殖的條件研究培養基最適組分實驗室規模的培養技術（三）實驗室研究和統計學方法2、研究的步驟先確定培養基組分通氣強度影響代謝產物產量的關鍵因素搖瓶實驗：提供基本信息和初步發酵工藝數據三.實驗室研究和統計學方法3、統計學方法

一般實驗正交試驗均勻實驗響應面實驗10.2搖瓶培養與罐培養的差異和發酵規模改變的影響一、搖瓶和罐培養的差異1.體積氧傳遞系數（KLa）和溶解氧的差異2.CO2濃度的差異3.菌絲受機械損傷的差異除此之外，還有哪些差異?消毒方式、接種方式、通氣方式、蒸發量、攪拌方式、pH控制、溫度控制、檢測手段1增加搖瓶機的轉速2減少培養基的裝量3直接向搖瓶中通入無菌空氣或氧氣等措施4可在搖瓶中加入玻璃珠來模擬發酵罐的機械攪拌來研究因攪拌引起的差異從下面四個方面模擬罐上發酵的條件二、

發酵罐規模改變的影響幾何相似、不同規模的發酵罐對比，改變的主要因素有：

菌體繁殖代數種子的形成培養基的滅菌通氣和攪拌熱傳遞菌體繁殖代數的差異Ng=1.44(lnV+lnx-lnX0)Ng：菌體繁殖代數V：發酵罐體積m3x：菌體濃度kg/m3X0：總菌體量kg2.培養基滅菌的差異分批滅菌：預熱期、維持期、冷卻期培養基體積越大，預熱期和冷卻期越長對培養基破壞越嚴重3.通氣與攪拌的差異4.熱傳遞的差異5.種子形成的差異發酵放大過程中，菌種質量和其它發酵工藝也會改變10.3發酵規模的縮小和放大一、概述縮小（scaledown）：大規模發酵生產條件作為中小型實驗條件放大（scaleup）：實驗室和中試車間結果應用到大規模發酵工業中二.放大或縮小的關鍵因素小設備、大設備的環境條件分析（盡量一致）：化學因素：基質、前體濃度等，人為控制可保持恒定；物理因素：溫度、菌濃、粘度、壓力、功率消耗、剪切力等。有差異第一階段實驗室規模，進行菌種的篩選和培養基的研究三.放大的過程第二階段中試工廠規模，確定菌種培養的最佳操作條件第三階段工廠大規模生產四、生物反應器的放大的原理與準則生物反應器的放大的原理

——相似原理

即實驗反應系統和放大反應系統的生物化學反應過程、流體流動與動量傳遞、熱量和質量傳遞過程，能用相同的微分方程來描述，并具有相同的特征，則兩個系統具有相同的行為方式。理想反應器放大應達到的相似條件：1、幾何相似性2、流體力學相似性3、熱力學相似性4、質量（濃度）相似性5、生物化學相似性

經驗放大法

縮小-放大法因次分析法數學模型法

五、生物反應器的放大方法數學模擬放大法進行發酵罐的放大基礎實驗測定值過程模擬用計算機作方案研究實驗參數范圍的制定小試中試基礎模型的修正模型放大實驗用計算機作設計計算過程的基本設計計算結果與實驗結果的比較六、通氣發酵罐的設計------經驗放大法一、幾何相似放大按反應器的各個部件的幾何尺寸比例進行放大。放大倍數實際上就是反應器的增加倍數。二、恒定等體積攪拌功率放大

這種方法適用對于以溶氧速率控制發酵反應的生物發酵，粘度較高的非牛頓型流體或高細胞密度的培養。對于不通氣時的機械攪拌生物反應器，軸功率計算

對于通氣式機械攪拌生物反應器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準則進行放大

0.01143三、恒定體積溶氧系數放大這種方法適用于牛頓性流體、高耗氧發酵（細菌發酵、酵母發酵）發酵過程的反應器的放大。(1)以福田秀雄的關聯式為放大基準

Kd=(2.36+3.30m)·(Pg/V)0.56·Vs0.7·N0.7·10-9m---攪拌渦輪的個數

KLa∝(Pg/V)0.

56Vs0.7N0.7P0=NpN3D5V=π/4·D2H

Qg=π/4·D2Vs

所以Pg/V∝{(N3D5)2ND3/(D2Vs)0.08}0.39/(D2H)

得Pg/V∝N2.73D2.01/Vs0.03KLa∝N2.23Vs0.68D1.13按(KLa)2=(KLa)1原則N2=N1[Vs]1/(Vs)2]0.30(D1/D2)0.51(pg)2=(pg)1[Vs]1/(Vs)2]0.849(D1/D2)0.99(2)以另一文獻報導關聯式為放大基準Qg--操作狀態下的通氣流量VL--發酵液體積HL--液柱高度∵

∴

又∵∴

P為操作狀態下通入的空氣的壓力四、恒定攪拌葉尖線端速度放大適用于生物細胞受攪拌剪切影響較明顯的發酵過程的放大，例如絲狀菌的發酵。攪拌葉尖線端速度（πDn）是決定攪拌剪切強度的關鍵。槳葉尖端線速度：五、恒定混合時間放大混合時間是指在反應器中加入物料，到它們被混合均勻時所需的時間。在小反應器中，比較容易混合均勻，而在大反應器中，則較為困難。

ft——混合時間函數；

tM——混合時間，s；

n——攪拌轉速，r/s；

Di——攪拌葉輪直徑，m；

D——發酵反應器直徑，m；

HL——罐內液體深度，m；

g——重力加速度常數，9.81m/s2。FOX用因次分析法，當Re＞105，得出以下關系式混合時間函數ft與Re關系

以混合時間相等的準則進行放大對幾何相似的發酵罐，當Re＞105時：當應用（P0/VL）1=（P0／VL）2原則放大時，n2／n1＝（Di1／Di2）2/3：

六、空氣流量放大∵∴∵∴∵

∴

又∵∴

歐洲發酵工業中的放大準則工業應用的比例（%）所采用的經驗放大基準30單位培養液體積消耗功率相等30kLa恒定20攪拌槳葉端速度恒定若V2/V1=125，D2=5D1，P2=1.5P1，則用上述三種不同方法計算放大后的通氣量結果如下表。放大方法VVM值

Vs值放大前放大后放大前放大后VVM相同1113.33

Vs相同10.311

kLa相同10.51311.71機械攪拌罐放大過程測定試驗罐的Qg、n、發酵速率及幾何尺寸測定發酵液的特性：r、m計算試驗罐的vvm、Qg/(nd3)、pnd及Re等預算NP、P、Pg和kLa等根據生產量和產率選擇發酵罐的體積和個數按幾何相似原則計算放大罐的尺寸確定放大準則，通常對高耗氧生物反應用kLa相等原則計算Q和N根據vvm相等原則、Q/(nd3)相等原則、us相等原則確定Q根據Pg與kLa關系計算n估算攪拌功率例：機械攪拌罐經驗放大法某廠在100L機械攪拌罐中進行淀粉酶生產試驗，所用的菌種為枯草桿菌，獲得良好的發酵效果，擬放大至20m3生產罐，粘度μ=2.25×10-3Pa·S，密度ρL=1020

kg/m3。試驗罐的尺寸為:直徑D=375mm，攪拌葉輪d=125mm(D/d=3.0)，高徑比H/D＝2.4，液深HL=1.5D，4塊檔板的W/D=0.1，裝液量為60L，通氣速率1.0vvm，使用2檔圓盤六直角葉渦輪攪拌器，轉速n=350r/min。通過實驗，證明此發酵為高耗氧的生物反應，故可按體積溶氧系數相等之原則進行放大。筒身高度H罐徑D檔板寬度W液位高度HL攪拌器直徑d兩攪拌器間距s下攪拌器距底部的間距B(1)依據幾何相似的原則計算發酵罐尺寸試驗罐D=375mm，d=125mm(2)按幾何相似原則確定20m3生產罐的尺寸：據題設幾何尺寸比例，放大罐與小罐相同，則有H/D＝2.4,D/d=3.0,HL/D=1.5,而有效裝料體積仍取60%，由此可得：可得D=2.17m,H=2.4D=5.20m,d=D/3=0.72m,HL=1.5D=3.26m這是按幾何相似原則計算求得的20m3生產罐的尺寸。仍采用兩組圓盤六直葉渦輪攪拌器。以體積溶氧系數相等為基準以福田秀雄的關聯式為放大基準

Kd=(2.36+3.30m)·(Pg/V)0.56·Vs0.7·N0.7·10-9以以下關聯式為放大基準以體積溶氧系數相等為基準(3)計算試驗罐的kLa先求攪拌雷諾準數ReM由功率準數NP視攪拌強度及葉輪形式而定.當發酵系統充分湍流時,即ReM>=104時,對圓盤六直葉渦輪,NP=6.0;對圓盤六彎葉渦輪,NP=4.7;而對圓盤六箭葉渦輪,NP=3.7，由于此處ReM>104,為圓盤六直葉渦輪，因此NP取為6.0以體積溶氧系數相等為基準所以2檔葉輪的不通氣時的攪拌功率為

：相應地，通氣攪拌功率為

：(下式中Qg的單位是ml/min)從而可以算出體積溶氧系數

：其中空截面氣速為

：(3)決定大罐的通氣流率Qg:按幾何相似原則放大設備，放大倍數越高，其單位體積液體占有的發酵罐橫截面越小，若維持通氣強度vvm不變，則放大后空截面氣速則隨罐容增大而迅速提高。因：通氣量Qg在維持通氣強度vvm不變時，就有Qg∝VL∝D3而空截面氣速為：若按通氣強度不變，即取大罐的通氣速率為1.0vvm，可算出通氣量及相應的空截面氣速為：對比小罐的空截面氣速(us=54.3cm/min),可見，若按通氣強度不變，則大罐的通氣截面氣速約相當于小罐的6倍。經驗表明，這種氣速太高。故可折中取大罐的us=150cm/min,由此可計算出大罐的通氣速率為：通氣強度為：5.55/12=0.462vvm(4)按kLa相等原則計算放大罐的攪拌轉速和攪拌功率7.01x10-6=7.434x10-8Pg0.56n0.7即：Pg=3356n-1.25又根據Pg的又一表達式：即：比較兩個不同的Pg表達式可得：由攪拌軸功率公式可計算得到：聯立上面二式可計算得到：n=123r/minP=10.2kWPg=8.19kWPg=3356n-1.25試驗罐與放大計算結果比