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第五章 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。 二、生物学基础 三、放大准则与方法 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 （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 （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。 (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. （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： 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行放大 以空气线速度相同的原则进行放大时有 酶反应器的放大基础和准则酶反应器放大设计计算方法 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+1 k+2 E + S ES E+P k-1 E [S] X [P] k+1 k-1 k+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，传质速率等于酶促反应速率，当反应按米氏方程规则时有：