n2
n
1
(
D D
1 2
2
)3
P2
P1
(
D2 D1
)3
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
n2
n1(D D21)0.75
(QG2 QG1
)0.08
Pg2
Pg1
(D2)2.77 D1
(QG2 )0.24 QG1
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（三）以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为 基准的放大法
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第三节 酶反应器的放大 酶反应器的放大基础和准则 酶反应器放大设计计算方法
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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。
n2 ( D1 ) 1 4 n1 D2
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（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：
VVM Q0 VL
，m3/（m3·min）
操作状态下空气的线速度 u g ，m/h。
u g6 0 Q 04 (2 D 7 3 i 2 t7 )3 9 .p 8 L 1 0 42 7 4 6 5 .6 (V D V i2 M )p (L 2 7 3t)V L ，m3/（m3·min）
D1 pL2
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（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
ug1 ug2
(VVM)2 pL2 Di1 (VVM)1 pL1 Di2
由上式可知，当体积放大100倍时，即
D2 D1
4 .6 4
若忽略液柱压力，即
(VVM )2 1 (VVM )1 4.64
即通风量减少4.64倍，其结果是通风量过小。
P的生成速度可表示为：rp= k+2X
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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；
Q0
ugpLDi2
27465.6(273t)VL
VVM
ugpLDi2
27465.6(273t)VL
，m3/（m3·min）
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以单位培养液体积的空气流量相同的原则 进行放大时，有
(VVM)2(VVM)1
ug(VV pL M D)i2VL
(VVM)Di pL
u g2 D2 pL1
u g1
第五章
生物反应器比拟放大
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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
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2
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
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
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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：
Pn3 D i5,VLD i3
对于不通气时的机械搅拌生物反应器，轴功率计算
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
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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
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
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(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。
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(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。
H1 H2 常数 D1 D2
3
V2 V1
D2 D1
m
H1
1
m3
H2
D1
1
m3
D2
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（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
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。
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3
第一节 生物反应器放大的目标及方法
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。
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4
二、生物学基础
末产物的 相对浓度
有效放大区
单位体积输入的功率P/V 或液相体积氧传递系数 KLa
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。
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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。
叶尖端线速度 n1D1 n2D2
n2 D1 n1 D 2
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（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.
tM (n D i2)23g16D i12H L 12D i32
对于几何相似的反应器t，M1 tM2 时，从上式可以得出：
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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。
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6
2、放大方法
主要有经பைடு நூலகம்放大法、因次分析法、 时间常数法、数学模拟法
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7
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
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