9第九章 生物反应器的放大与控制.ppt.ppt

引言 一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试，适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。 生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。 生物反应器的放大:是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物反应过程放大的含义。它是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。 引言 反应器的放大涉及内容较多。除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容，诸如：反应动力学，传递和流体流动的机理等。因此，它是一个十分复杂的过程。 目前反应器的放大方法主要有：经验放大法、因次分析法、时间常数法和数学模拟法。 第一节 生物反应器的放大 一、经验放大法 二、其他放大方法 经验放大法 定义:经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法。 特点:这些规律多半是定性的，仅有一些简单的、粗糙的定量概念。由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解，因而放大比例一般较小，并且此法不够精确。但是对于目前还难进行理论解析的领域，还要依靠经验放大法。对于生物反应器来说，到目前为止，应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计。 （一）几何相似放大 定义:生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大。所谓的几何相似指的是两台设备的几何形状完全相似。在几何相似放大中，放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数。 （一）几何相似放大 （二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 定义:以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大，是一般机械搅拌式化学反应器的放大准则，可以将此准则应用于生物反应器的放大 。 （二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 （二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 （二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 （三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大 （三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大 （三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大 （四）以空气线速度相同的原则进行放大 （五）以 相同的原则进行放大 （五）以 相同的原则进行放大 （五）以 相同的原则进行放大 （五）以 相同的原则进行放大 （五）以 相同的原则进行放大 （六）搅拌器叶尖速度相同的准则 按照搅拌器的叶尖速度相等的原则进行放大。当大小反应器中搅拌器的叶尖速度相等时， ，因此： （七）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。通过因次分析，得到以下关系： （七）混合时间相同的准则 总结 总结 二、其他放大方法 因次分析法 时间常数法 数学模拟法 二、其他放大方法 二、其他放大方法 二、其他放大方法 二、其他放大方法 二、其他放大方法 二、其他放大方法 二、其他放大方法 二、其他放大方法 第二节 生物反应器的参数检测 一、生物加工过程的参数（物理、化学参数） 要对生化过程进行有效的操作和控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是要了解生化过程的各种信息。这些信息可以分为物理变量信息（如发酵温度）、化学变量信息（如pH）以及生物变量信息（如生物质浓度）。 （一）设定参数 1．压强 对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌的洁净空气，一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧，二是强化培养液的混合与传质，三是维持反应器有适宜的表压，以防止外界杂菌进入发酵系统。对气升式反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量消耗的关键因素之一。对嫌气发酵，如废水的生物厌氧生物处理，对反应体系内压强的监控也是十分必要的。 （一）设定参数 2．温度 不管生物细胞或是酶催化的生物反应，反应温度都是最重要的影响因素。不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生成温度，而酶也有最适的催化温度，所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围。 （一）设定参数 3．通气量 不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要连续（或间歇）往反应器中通入大量的无菌空气。为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。当然，过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大以及通风耗能上升等不良影响。 （一）设定参数 4．液面（或浆液量） 对液体发酵，反应器的液面或是装液量的控制是反应器设计的重要因素。液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液面的高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的含气率达一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必须严格