生物反應(yīng)器的比擬放大.ppt

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1、 生 物 反 應(yīng) 器 的 比 擬 放 大 2 “ 發(fā)酵放大是一門藝術(shù)，而不是一門 科學(xué)” A.E.Humphrey 3 Contents： 1、 生物反應(yīng)器比擬放大的概念 2、生物反應(yīng)器比擬放大的方法 3、生物反應(yīng)器比擬放大需要考慮的因素 4、小結(jié) 4 生物反應(yīng)器的放大是指在反應(yīng)器的 設(shè)計(jì)與操作 上 ， 將 小型反應(yīng)器的 最優(yōu)反應(yīng)結(jié)果 轉(zhuǎn)移至工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中 重現(xiàn)的過程 。 生物工程產(chǎn)品的研究開發(fā)的三個(gè)階段： （ 1） 實(shí)驗(yàn)室階段 （ 2） 中試 （ 3） 工廠化生產(chǎn) 1.1 比擬放大的定義

2、 1、 生物反應(yīng)器比擬放大的概念 5 第一階段 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，進(jìn)行菌種的篩選和培養(yǎng)基的研究 6 第二階段 中試工廠規(guī)模，確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件 7 第三階段 工廠大規(guī)模生產(chǎn) 8 表 1 小型和大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的不同點(diǎn) 項(xiàng) 目 實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器 生產(chǎn)用反應(yīng)器 功率消耗 不必考慮 需認(rèn)真對(duì)待 反應(yīng)器內(nèi)空間 控制檢測(cè)裝置占去一定空間 無此影響 混合特性 可不必考慮 需認(rèn)真對(duì)待 換熱系統(tǒng) 較易解決 較難解決 9 核心問題： 生物反應(yīng)器中有三種重要的過程： （ 1） 熱力學(xué)過程 ， （ 2） 微觀動(dòng)力學(xué)過程 ， （ 3） 傳遞過程 。

3、 而 核心問題 是傳遞過程 。 因?yàn)橐?guī)模的放大對(duì) 傳遞過程的影響最大 。 放大目的： 維持中試所得到的最佳的細(xì)胞生長(zhǎng)速率 ， 產(chǎn)物的 生成速率 。 產(chǎn)品的 質(zhì)量高 ， 成本低 。 必須使菌體在大 中小型反應(yīng)器中所處的外界環(huán)境完全或基本一致 。 1.2 放大的核心問題和目的 10 1.3 比擬放大的準(zhǔn)則 （ 1）恒定單位體積功率 由 Pg/V恒定而確定攪拌轉(zhuǎn)速。 （ Pg指通 氣時(shí)的攪拌功率） 對(duì)黏度較高的非牛頓型流體或高細(xì)胞密 度培養(yǎng)，應(yīng)用 Pg/V恒定 原則進(jìn)行放大的效果 十分良好。 11 這個(gè)方法抓住了傳氧這一關(guān)鍵因素，目前應(yīng)

4、用很多。具體應(yīng)用中要注意幾個(gè)問題。 1.小試中要測(cè)得準(zhǔn)確的 kLa值，選擇合適的計(jì) 算公式。 2.注意各計(jì)算 kLa公式在放大中參數(shù)的變化及 適用范圍。 3.按照計(jì)算 P0/Pg選擇通氣比，計(jì)算 V， 從而 計(jì)算 kLa 。 （ P0指不通氣時(shí)的攪拌功率） （ 2）恒定傳氧系數(shù) (kLa) 12 剪切力與攪拌槳葉端的線速度成正 比 ， 從斷裂菌絲溢出核酸類物質(zhì)的數(shù) 量與葉尖的線速度相關(guān)。在恒定體積 功率放大時(shí)一般維持 nd不變 （ n為攪拌 槳轉(zhuǎn)速、 d為攪拌槳直徑，一般攪拌葉 輪直徑與罐直徑之比為 0.330.45） （ 3）

5、恒定剪切力恒定葉端速度 13 （ 4）恒定混合時(shí)間（ tM ） 混合時(shí)間（ tM ）： 把少許具有與攪拌反應(yīng)器內(nèi) 的液體相同物性的液體注入攪拌反應(yīng)器內(nèi)，兩者達(dá) 到分子水平的均勻混合所需要的時(shí)間。 低黏度液體在小攪拌反應(yīng)器內(nèi)的混合時(shí)間很短。 反應(yīng)器愈大，混合時(shí)間就愈長(zhǎng)。實(shí)際上按等混合時(shí) 間放大是很難做到的，因?yàn)橐龅竭@一點(diǎn)，放大后 反應(yīng)器的攪拌槳轉(zhuǎn)速需要比小反應(yīng)器攪拌槳轉(zhuǎn)速提 高很多。但作為一個(gè)校對(duì)的指標(biāo)，對(duì)某些體系確實(shí) 必要。 14 1.4 比擬放大一般流程 生物反應(yīng)器的比擬放大是為了到達(dá)預(yù)期 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，因此要 綜合考慮，抓住關(guān)鍵的因 數(shù) 。比擬放大的一

6、般流程為： （ 1） 幾何相似 放大確定放大的尺寸 ； （ 2） 按 公式計(jì)算 放大的其它參數(shù) ； （ 3） 根據(jù)具體情況進(jìn)行 適度調(diào)整 。 15 理論放大法 建立反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量、質(zhì)量和能量平衡方程，求解 半理論放大法 對(duì)難于求解的動(dòng)量橫算方程簡(jiǎn)化 因次分析法 將動(dòng)量、質(zhì)量、熱量衡數(shù)以及有關(guān)的邊界條件、初始條 件以無因次形式寫出用于放大過程。 （由于對(duì)事物的機(jī)理缺乏透徹的了解，難以建立精確模型。） 以 kLa或 Kd相等為基準(zhǔn)放大 經(jīng)驗(yàn)放大 以 P0/VL相等為基準(zhǔn)放大

7、 以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)放大 以培養(yǎng)液溶氧濃度為基準(zhǔn)放大 2、生物反應(yīng)器比擬放大的方法 16 2.1 理論放大方法 所謂理論放大法，就是 建立及求解反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量， 質(zhì)量和能量平衡方程 。由于發(fā)酵過程的復(fù)雜，有關(guān)反 應(yīng)的酶未全部明白，以及攪拌功率在傳氧和剪切力之 間較難平衡，所以這種放大方法是十分復(fù)雜的，很難 在實(shí)際中應(yīng)用，目前主要應(yīng)用在最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)（發(fā)酵 液為靜止或流動(dòng)的滯留系統(tǒng)如某些固定化生物反應(yīng)器 的放大）。但此方法是以最系統(tǒng)，最科學(xué)的理論為依 據(jù)的方法，還是具有重要指導(dǎo)意義的。 17 如對(duì)于常見的機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐，想要應(yīng)用

8、理論放大方法就必須了解： 1. 必須了解三維熱傳遞方程，且邊界條件十分復(fù)雜； 2. 傳遞過程之間必須是偶聯(lián)的，即從動(dòng)量衡算方程求解 的流動(dòng)分量必須用于質(zhì)量和熱量平衡方程的求解； 3. 動(dòng)量衡算往往假定反應(yīng)系統(tǒng)為均相液體，但對(duì)通氣生 物發(fā)酵，培養(yǎng)液中存在大量氣泡較難分析。 18 對(duì)于許多通氣發(fā)酵生 產(chǎn)，其產(chǎn)物相對(duì)濃度受單 位體積發(fā)酵液攪拌功率或 體積容氧系數(shù)的影響，不 論細(xì)菌還是酵母其目的產(chǎn) 物與 P/V或 Kla關(guān)系右如圖， 通常反應(yīng)器放大應(yīng)選用曲 線近乎水平的范圍。 19 局限性： 總之，對(duì)于發(fā)酵反

9、應(yīng)器的理論放大，主要問題 是目前仍無法求解生物反應(yīng)系統(tǒng)中的動(dòng)量衡算 方程。所以，理論放大方法只能用于最簡(jiǎn)單的 系統(tǒng)，例如發(fā)酵液是靜止的或流動(dòng)屬于滯留的 系統(tǒng)，如某些固定化生物反應(yīng)器的放大，以便 建立簡(jiǎn)單的動(dòng)量，質(zhì)量和能量平衡方程。 20 2.2 半理論放大方法 由上可知，理論放大方法難于求解動(dòng)量衡算方 程。為解決此矛盾，可對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化， 對(duì)攪拌槽反應(yīng)器或鼓泡塔， 只考慮液流主體的 流動(dòng)，而忽略局部 （如攪拌葉輪或罐壁附近） 的復(fù)雜流動(dòng) 。 21 簡(jiǎn)單液體在穩(wěn)態(tài)條件下，質(zhì)量衡算方 程為： 22 局限性 半理論放大方法是生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大最普 遍的實(shí)驗(yàn)研究方法。但是，液流

10、主體模型通常 只能在小型實(shí)驗(yàn)規(guī)模的發(fā)酵反應(yīng)器（ 530L） 中獲得，并非是在大規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)中得到的 真實(shí)結(jié)果，故使用此法進(jìn)行放大有一定風(fēng)險(xiǎn)， 必須通過實(shí)際發(fā)酵過程進(jìn)行檢驗(yàn)校正。 23 2.3 因次分析放大法 所謂因次分析放大法就是在放大過程中，維持生物發(fā) 酵系統(tǒng)參數(shù)構(gòu)成的無因次數(shù)群（稱為 準(zhǔn)數(shù) ）恒定不變， 把反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量，質(zhì)量，熱量衡算以及有關(guān)的邊界 條件，初始條件以無因次形式構(gòu)建方程用于放大過程。 盡管因次分析放大法的應(yīng)用有嚴(yán)格的限制，但此法還 是十分有用的。 對(duì)因次分析放大法，準(zhǔn)數(shù)的合理構(gòu)建是關(guān)鍵，生化過 程常用參變量分為 4大類： (1)幾何參數(shù) D,H,d（ 2）物

11、理化學(xué)參數(shù) ,,(3)過程變量 N,P,V（ 4）氣體常數(shù) g,R。另外準(zhǔn)數(shù)需要經(jīng)驗(yàn)和直覺的結(jié)合，參數(shù)不能選 太多若選用到了無關(guān)或影響甚微的參數(shù)，參數(shù)過多就 無法放大了，若缺了重要參數(shù)，系統(tǒng)就無法用數(shù)學(xué)模 型正確表達(dá)。故必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定起主導(dǎo)作 用的機(jī)理，忽略無關(guān)參數(shù)，這點(diǎn)很重要。 24 生物反應(yīng)器的因次分析放大過程 25 局限性 應(yīng)用因次分析放大法進(jìn)行反應(yīng)器放大，從原理 上講，準(zhǔn)數(shù)一經(jīng)獲得，進(jìn)行生物反應(yīng)器的放大 就簡(jiǎn)單了，只要對(duì)小型實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)裝置與大型 生產(chǎn)系統(tǒng)的同一準(zhǔn)數(shù)取相等數(shù)值就可以了。但 實(shí)際上卻并不那樣簡(jiǎn)單，雖然均相系統(tǒng)的流動(dòng) 問題較易解決，但對(duì)于有傳質(zhì)和傳熱同時(shí)進(jìn)行

12、 的系統(tǒng)或非均質(zhì)流動(dòng)系統(tǒng)，問題就復(fù)雜了 。 26 2.4 經(jīng)驗(yàn)放大法 除上面介紹的 3種生物反應(yīng)器的放大方法 之外，還有經(jīng)驗(yàn)放大法，這也是最常用的放大 方法。根據(jù)不完全的調(diào)查結(jié)果，生物發(fā)酵工廠 中好氧生物發(fā)酵反應(yīng)器應(yīng)用的各種經(jīng)驗(yàn)方法的 比例，如表 3所示 。 27 表 2 通氣發(fā)酵罐放大方法的比例 放大準(zhǔn)則 所占比例 維持 p0/VL不變 30 維持 KLa不變 30 維持?jǐn)嚢杵魅~端線速度不變 20 維持培養(yǎng)液氧濃度不變 20 注： P0：發(fā)酵罐中不通氣的攪拌功率， kw； VL：發(fā)酵罐中反應(yīng)溶液的體積， m3； kla：發(fā)酵罐中體積溶氧系數(shù)，

13、 1/s或 1/h。 28 經(jīng)驗(yàn)放大法的分類： 以 kLa或 Kd相等為基準(zhǔn)放大 以 P0/VL相等為基準(zhǔn)放大 以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)放大 以混合時(shí)間相等為基準(zhǔn)放大 29 許多 好氧發(fā)酵 ，特別是生物細(xì)胞濃度較高 時(shí)耗氧很快，故溶氧速率是否能滿足生物細(xì) 胞的代謝與生長(zhǎng)就成為生物發(fā)酵生產(chǎn)的限制 因素。生物發(fā)酵的耗氧速率可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 實(shí)踐證明， 高好氧發(fā)酵應(yīng)用等 kLa的原則 進(jìn) 行反應(yīng)器放大通?？色@得良好結(jié)果。 2.4.1 以 kLa為基準(zhǔn)的比擬放大法 30 以 kLa為基準(zhǔn)的比擬放大法 適用條件： 高濃度細(xì)胞培養(yǎng)； 消耗氧氣的速度很快； 氧氣的

14、傳遞速率成為發(fā)酵關(guān)鍵因素 。 31 在耗氧發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解度很低，生 物反應(yīng)很容易因反應(yīng)器溶氧能力的限制受到影響，以 反應(yīng)器 KLa的相同作為放大準(zhǔn)則，可以收到較好的效果。 以 KLa值相同 放大時(shí)，一 定要選一個(gè) 合適的 KLa值， 可根據(jù)微生 物發(fā)酵產(chǎn)物 的產(chǎn)率與 KLa 大小的關(guān)系 32 2.4.2 以 Po/VL相等為準(zhǔn)則的比擬放大 這種方法適用對(duì)于 以溶氧速率 控制發(fā)酵反應(yīng) 的生物發(fā)酵，粘度較高的 非牛頓型流體或高 細(xì)胞密度 的培養(yǎng) P0/VL 常數(shù) 1. 對(duì)于不通氣的攪拌反應(yīng)器 2. 對(duì)于通氣攪拌反應(yīng)器，可取單位體積液 體分配的通氣攪拌功率相

15、同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大 33 對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位 體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大，即： ,3 5 3i L iP n D V D ()21 321 2 Dnn D () 32 21 1 DPP D 對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體 積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大 ..( ) ( )2 1 G0 7 5 0 0 81 21 2G QDnn DQ ..( ) ( )2 21 1 G2 7 7 0 2 42 gg 1G QDPP DQ 對(duì)于不通氣時(shí)的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，軸功率 計(jì)算： 34 2.4.3 以攪拌葉尖線速度

16、相等為基準(zhǔn)放大 實(shí)踐表明，應(yīng)用絲狀菌進(jìn)行發(fā)酵，因這類微生 物細(xì)胞受攪拌剪切的影響較明顯，而 攪拌葉尖 線速度是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。若僅僅維 持 kLa相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導(dǎo) 致放大設(shè)計(jì)失誤。 在 Po/VL相等的條件下， Di/D越?。崔D(zhuǎn)速越 高），攪拌剪切越強(qiáng)烈，這有利于菌絲團(tuán)的分 散和氣泡的破裂細(xì)碎，從而有利于溶氧傳質(zhì)和 胞內(nèi)代謝產(chǎn)物的向外擴(kuò)散，因此通常有利于代 謝產(chǎn)物抑制發(fā)酵的生物反應(yīng)系統(tǒng)。 35 例如 ： 在使用放線菌發(fā) 酵生產(chǎn)新生霉素 時(shí)，在維持 Po/VL 不變的條件下， 使用較小的攪拌 葉輪可獲得較高 產(chǎn)量的抗生素， 如圖所示。 36 總結(jié)：

17、 所以，對(duì)于此類發(fā)酵系統(tǒng)，攪拌葉輪尖端 線速度也是發(fā)酵反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)的重要因素， 可作為放大基準(zhǔn)。但必須明確，若攪拌葉輪直 徑（ Di/D）過小，則攪拌泵送能力下降，混合 時(shí)間加長(zhǎng)，這會(huì)影響反應(yīng)溶液混合的均勻性。 通常，對(duì)大多數(shù)的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度 宜取 2.55m/s；對(duì)于球狀或短桿狀微生物可 適當(dāng)增大，但最高也不宜超過 10m/s。 37 2.4.4 以混合時(shí)間相等為基準(zhǔn)放大 （ 1） 混合時(shí)間：發(fā)酵罐內(nèi)放入某種指示劑使發(fā) 酵液和指示劑達(dá)到分子水平均勻混合所需要的 時(shí)間 。 （ 2） 對(duì)于不同反應(yīng)器型式和反應(yīng)介質(zhì) ， 其混合 時(shí)間有不同的關(guān)聯(lián)式 ， 進(jìn)行設(shè)計(jì)和放大時(shí)應(yīng)作

18、 出合理的選擇 。 （ 3） 不適用于大型發(fā)酵罐 ， 因?yàn)槿绻创嗽瓌t Di/D（ 攪拌葉輪 ） 會(huì)變大 ， 即轉(zhuǎn)速變小 。 這 樣溶氧效率低而且剪切力變大 ， 但可作為一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn) 。 38 (1)幾何相似放大 按反應(yīng)器的各個(gè)部件的幾何尺寸比例進(jìn)行放大。放 大倍數(shù)實(shí)際上就是反應(yīng)器的增加倍數(shù)。 12 12 HH DD 常數(shù) 3 22 11 VD m VD 1 1 3 2 H m H 1 1 3 2 D m D 2.4.5 其他放大方法 39 （ 2） 通風(fēng)量的放大 按單位體積液體通風(fēng)量 Q/V 相等； 大型反應(yīng)器液柱高，空氣在液體中所走的路程和

19、氣液接觸時(shí)間均長(zhǎng)于小型反應(yīng)器。因此大型反應(yīng)器的 有較高的空氣利用率，放大時(shí)大型反應(yīng)器的 Q/V 比小 型設(shè)備的 Q/V 小。 按通風(fēng)截面空氣線速度 Vs相等； 放大反應(yīng)器空截面的空氣線速度 Vs 的大小表征 了液體的通風(fēng)強(qiáng)度。對(duì)于空氣利用率較好的反應(yīng)器， 大罐的 Vs 應(yīng)適當(dāng)大于小罐的。 按通風(fēng)準(zhǔn)數(shù)相等放大； 按體積溶氧系數(shù)相等放大。 40 （ 3）攪拌功率放大 攪拌功率是影響溶氧最主要的因素，因而 在機(jī)械攪拌生化反應(yīng)器中，攪拌功率的放大是 整個(gè)放大中最主要的內(nèi)容。 對(duì)于一定性質(zhì)的液體，由于攪拌功率的 大小取決于攪拌轉(zhuǎn)速 n 和攪拌器直徑 Di ，因

20、此攪拌功率的放大實(shí)際上是 n 和 Di 的放大。 若集合相似，則 Di 一定，放大問題就只是選 擇攪拌轉(zhuǎn)速 n 的問題。 41 表 3 放大方法的比較 方 法 放大后的攪拌轉(zhuǎn)速 /（ r/min） 等體積功率（非通氣） 107 等體積功率（通氣） 85 等傳質(zhì)系數(shù) 79 等葉端速度 50 等混合時(shí)間 100 按照上述不同放大準(zhǔn)則所得出的結(jié)論，并以 攪拌轉(zhuǎn)速 進(jìn)行比較。 42 總結(jié)： 從表 3可以看出，采用不同的放大準(zhǔn)則， 其結(jié)果相差很大。這表明，若僅考慮將某一參

21、數(shù)作為放大準(zhǔn)則進(jìn)行放大，則有一定片面性。 這是因?yàn)楦鱾€(gè)參數(shù)之間相互聯(lián)系，而這 種聯(lián)系又不都是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，因此要求放 大過程中要保證所有因素都不變是不可能的。 對(duì)于經(jīng)驗(yàn)放大法，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際放 大過程中應(yīng)用最多的是 以 kLa或 P0/VL相等為基 準(zhǔn)的放大。 43 3、生物反應(yīng)器比擬放大需要考慮 的因素 物理因素 氧傳質(zhì)系數(shù)（ KLa） 單位體積的攪拌功率 剪切應(yīng)力 化學(xué)因素 過程因素 種子的級(jí)數(shù) 滅菌條件 44 3.1 物理因素 3.1.1 氧傳質(zhì)系數(shù)（ KLa） KLa能用于表征氧的傳質(zhì)能力。 KLa受罐的大小，

22、攪拌器的擋數(shù)和形狀，轉(zhuǎn)速， 擋板，通氣速率，罐壓等的影響。 KLa在發(fā)酵過程中隨發(fā)酵液黏度的改變而變化， 特別是絲狀菌的發(fā)酵，為非牛頓型流體特性， 應(yīng)在線過程監(jiān)測(cè)。 45 3.1.2單位體積的攪拌功率 單位體積的攪拌功率常被用于發(fā)酵過程的 放大。此法的好處是容易從小型發(fā)酵罐中獲得。 一些重要的因素，如黏度，已包含在攪拌功率 的實(shí)驗(yàn)數(shù)值內(nèi)。如現(xiàn)成的電機(jī)功率不足，采用 稀配方或減小發(fā)酵罐的裝量也是一個(gè)方法。 46 3.1.3 剪切應(yīng)力 在大型發(fā)酵罐中培養(yǎng)絲狀菌（如真菌或放線 菌），其菌絲常被攪拌葉打斷。剪切應(yīng)力與攪 拌葉尖的線速度成正比，從斷裂菌絲溢出核酸 類物質(zhì)的數(shù)量與

23、葉尖的線速度相關(guān)。 培養(yǎng)對(duì)剪切應(yīng)力敏感的微生物，應(yīng)降低攪拌速 率，相應(yīng)增加攪拌器的直徑和采用多擋攪拌器， 以提高發(fā)酵液的溶氧。 47 圓盤彎葉 圓盤平直葉 圓盤箭葉 凹葉圓盤 圓盤平直葉具有很大的 循環(huán)輸送量和功率輸出， 適用于各種流體。 在混合要求特別高，溶 氧速率相對(duì)要求略低時(shí)， 可用圓盤彎葉。 圓盤箭葉軸向流動(dòng)較強(qiáng) 烈，輸出功率較低。 凹葉圓盤能耗低，縮短 混合時(shí)間。 48 3.2 化學(xué)因素 主要包括培養(yǎng)基的組成、濃度、氧化還原電 位、 pH、氣體 CO2、 O2等。 在小型發(fā)酵罐中優(yōu)化的培養(yǎng)基成分放大到生產(chǎn) 罐中不一定合適。特別是影響產(chǎn)物合

24、成的主要 因素在生產(chǎn)過程中需要監(jiān)測(cè)，并通過補(bǔ)料控制 在適當(dāng)?shù)乃健? 49 研究表明，通過通氣和攪拌控制氧化還原 電位，從 10L放大到 100L和 1000L中試罐（甚 至是幾何形狀不同的攪拌罐）是最為成功的方 法。不過，此法對(duì)其他品種的發(fā)酵是否適用還 有待證實(shí)。 50 3.3 過程因素 隨著發(fā)酵罐的容量增大，所需種子罐的級(jí) 數(shù)增加，且各級(jí)的種子培養(yǎng)基也不同，需滿足 生產(chǎn)菌不同生長(zhǎng)階段的需求。原材料的批與批 之間的質(zhì)量差異有時(shí)也會(huì)影響產(chǎn)量。實(shí)地（罐 內(nèi)）或連續(xù)（罐外）滅菌的方法對(duì)培養(yǎng)基的破 壞是不同的，其結(jié)果也會(huì)影響產(chǎn)物的合成。 51 3.3.1 種子的級(jí)數(shù)

25、 隨著過程的放大，各級(jí)種子的質(zhì)量也很重 要，可以遵循以下的原則： 種子接種到生產(chǎn)罐后，其停滯（適應(yīng)）期應(yīng)盡 可能縮短； 應(yīng)有足夠量的種子； 細(xì)胞的生長(zhǎng)形態(tài)適合。 52 3.3.2 滅菌條件 對(duì)實(shí)罐滅菌來說，大型發(fā)酵罐所需的滅菌 時(shí)間要長(zhǎng)很多，這樣常導(dǎo)致培養(yǎng)基的焦糖化和 重要成分的破壞。這些降解產(chǎn)物往往會(huì)影響菌 的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成。因此，糖需要和其他培 養(yǎng)基分開滅菌。 53 4、小結(jié) 生物反應(yīng)器的比擬放大不是簡(jiǎn)單的按比 例放大，而是建立在幾何相似、培養(yǎng)條件相同 和微生物在反應(yīng)器中充分分散等基本假設(shè)之上 的。由于生物反應(yīng)器的類型很多，所適用的體 系也各異，

26、因此 生物反應(yīng)器 的比擬放大是比 較復(fù)雜的。 到目前為止，生化放大過程一直是 一個(gè)難題。 54 發(fā)酵過程監(jiān)控的主要指標(biāo) 1. 物理指標(biāo)： T、 P、攪拌轉(zhuǎn)速、功耗、泡沫、氣體流 速、黏度等。 2. 化學(xué)指標(biāo)： pH、氧化還原電位、溶解氧、氣體 COO、 糖含量、化合物含量等。 3. 生物指標(biāo)：菌體濁度、 ATP、各種酶活力、中間代 謝產(chǎn)物等。 隨著規(guī)模的放大，以上各種指標(biāo)可能均在變化，故在小試中應(yīng)先找到影響菌的生產(chǎn)性能的 關(guān)鍵因素。 55 比擬放大過程中，雖然要考慮的因素有很多，但 經(jīng)分析歸納，其有影響的主要變量不過 D、 N、 P0三 種，為了全力找出放大過程中的關(guān)鍵因素，就應(yīng)該抓 住主要變量這個(gè)環(huán)節(jié)。 其他因素包括：拌渦輪數(shù)目、渦輪間距離、罐的 其他尺寸以及空氣的空罐流速，空氣在發(fā)酵醪中的阻 留率也應(yīng)該考慮。 56 總之，生物反應(yīng)器的比擬放大需要盡可能 模擬重要的培養(yǎng)條件，對(duì)過程進(jìn)行縮小研究有 助于揭示生產(chǎn)中存在的問題。然后，針對(duì)關(guān)鍵 問題再進(jìn)行試驗(yàn)研究，有時(shí)還需要從菌種選育 著手去克服比擬放大中出現(xiàn)的問題。 57