发酵过程的放大

文摘   其他   2024-12-15 09:43   北京  

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文丨Kevin

编丨Kevin



一、概述


缩小(scale down):大规模发酵生产条件作为中小型实验条件。

放大(scale up):实验室和中试车间结果应用到大规模发酵工业中。




二.  放大或缩小的关键因素


小设备、大设备的环境条件分析(尽量一致)

  • 化学因素:基质、前体浓度等,人为控制可保持恒定;

  • 物理因素:温度、菌浓、粘度、压力、功率消耗、剪切力等。


三. 放大的过程


第一阶段,实验室规模,进行菌种的筛选和培养基的研究。

图一 百仑实验室生物反应器


第二阶段,中试工厂规模,确定菌种培养的最佳操作条件。

图二 百仑中试设备


第三阶段,工厂大规模生产。

图三 百仑大生产工程项目



四、生物反应器的放大的原理与准则


理想反应器放大应达到的相似条件:

1、几何相似性

2、流体力学相似性

3、热力学相似性

4、质量(浓度)相似性

5、生物化学相似性

生物反应器的放大的原理        ——相似原理


即实验反应系统和放大反应系统的生物化学反应过程、流体流动与动量传递、热量和质量传递过程,能用相同的微分方程来描述,并具有相同特征,则两个系统具有相同行为方式。



五、生物反应器的放大方法


  • 经验放大法

  • 缩小-放大法

  • 因次分析法

  • 数学模型法



六、通气发酵罐的设计--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、恒定等体积搅拌功率放大

这种方法适用对于以溶氧速率控制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。


三、恒定体积溶氧系数放大

这种方法适用于牛顿性流体、高耗氧发酵(细菌发酵、酵母发酵)发酵过程的反应器的放大。


四、恒定搅拌叶尖线端速度放大

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)是决定搅拌剪切强度的关键。


五、恒定混合时间放大

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。


六、空气流量放大

(1)以单位培养液体积空气流量相同的原则放大

(2)以空气直线流速相同的原则放大

(3)以KLa值相同的原则放大



欧洲发酵工业中的放大准则



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