第八章 发酵过程的放大

第八章 发酵过程的放大
“发酵放大是一门艺术，而不是一门科学” —— A.E.Humphrey
就目前为止，生化放大过程一直是一 个难题。
虽然很难用理论分析，但是并不是放大 问题没解决就不能放大，反应器的不足 可以通过工艺及控制手段来弥补，工艺 的欠缺也可以通过改善反应器型式来修 正。
主要内容
2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰 直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时 的菌株损失和菌种的适应性等。
3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面 直接接触。发酵罐是和空气混合接触， 考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。
4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控 制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发 酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决 的。
➢ 第一节 发酵放大的原则及方法 ➢ 第二节 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发
酵罐放大 ➢ 第三节 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节 发酵放大的原则及方法
2.供氧方面的阻力
于氧：是k1气难1 膜溶；气体：，气所k12 液以界面即；液膜：处液1的膜k13阻；力是：主发要酵k14阻液力；来由
源；
k3
3.耗氧方面的阻力
传递k：；18 胞k15 外：液为膜耗；氧方：面k菌6、的k1k丝67 阻丛力；主要：来细源k1胞7 ；膜另；外
：胞内 受菌
体生理及培k养8 基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。
以kLa为基准的比拟放大法
有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
KLa－－氧传递系数是什么？
二、氧的传递和传质方程式
一、传递途径
1、气泡中氧→气膜→气液界面→发酵液→胞外液膜→细 胞膜→细胞内
发酵罐的类型很多，所适用的体系也各 异，因此发酵罐的放大是比较复杂的。
一、发酵罐的放大原则
（1）几何相似 即按小的与大的装置 各部分几何尺寸比例大致相同放大。但 是，为了避免设备直径过大，大设备的 高径比往往大一些。
定拌而功（确率2）定）恒搅定拌等转体速积。功（率Pg放指大通气由时Pg的/V搅恒
以Po/V相等为准则的比拟放 大
对于溶氧速率控制的非牛顿发酵液系统， 把Po/V相等作为比拟放大的准则就非常 方便，同时也避免了微生物参与所带来 的计算kLa的困难。
值得注意的是， Po/V与传质系数之间的 确存在着重要的关系，但Po/V相等并不 意味着kLa相等。二者之间没有必然的 联系。
其他的比拟放大方法
（一）恒周线速度
丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖 端线速度的影响较为明显。如果仅仅保持kLa 相等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在 Po/V相等的条件下，D/T比越小，造成的剪率 越大，也有利于菌丝团的破碎和气泡的分散， 这对于产物抑制的发酵有重要意义。所以，对 于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为 是比拟放大的基准之一。
可以忽略kHL ，则 ，此时K气G 体kG溶解的阻力主要来自于气膜阻力；
同理可得：
，对于K1L 难 H溶1 kG 气k1L 体如O2，H很大， ，此时气体
溶解K的L 阻k力L 主要来自于 。
kL
三、传质方程
以上只是讨论氧溶解的过程，对于整个发酵工艺控制来讲，作 为控制工艺的参数还需要从整个发酵罐对氧的需求来进行调控。
其他的比拟放大方法
（二）恒混合时间 混合时间的定义是把少许具有与搅拌
罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内， 两者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。
混合时间主要与发酵液的粘度有关，通 常，低粘度的液体混合时间要少于高粘度的 液体。另外，放大罐的体积越大，混合时间 就越长。
其他的比拟放大方法
由此可以看出，比拟放大虽然必须以理 性知识为基础，但也离不开丰富的实际 运转经验，特别是对于非牛顿流体发酵 系统尤其如此。直到最近，比拟放大的 现状仍然如此。
NV kL a C C
N体V :积溶氧速率； 是kL 以a 为动C 力C的体积溶氧系数，该式
中NV、 C、 均C易测量，据此可以算出 ；kL 另 a 外，要使发酵正常进
行，供氧与耗氧至少应相等： kL aC， 从C此Q式O2 亦r 可算出。
需要指出的是：供氧与耗氧的平衡是动态的。
也称为“通气效率”，用来衡量发酵罐的通气状况， 高，
增加了二氧化碳的溶解度，影响pH，可能会 对菌体的代谢产生影响，因此对设备要求高； • 挡板：通过挡板的剪切作用，避免低于平均 氧浓度的死角存在；
• 通气量：通气的气速与发酵液体积之比，提高 通气量增加液体中挟持气体体积的平均成分；
• 通气气体成分：掺入纯氧，使氧分压增高，提 高溶氧；
• 发酵液粘度：粘度大，溶氧少；
的亚硫酸根离子
2SO32-+O2 Cu 2+
2SO42-
剩余的SO32-与过量的碘作用
SO32-+I2
SO42-+2I-
Na2S2O3滴定剩余的碘 S2O32-+I2
S4O62-
取样极谱法
当电解电压为0.6～1.0V时，扩散电流的大 小随液体中溶解氧的浓度成正比变化。
排气法
被测定的发酵罐中充以事先用氮气驱出 溶解氧的发酵液或0.1（体积摩尔浓度） 的KCl溶液，当开始通气搅拌后，定时 取样用极谱仪或其他方法测定其溶解氧 浓度。
（3）恒定传氧系数kLa放大 这个方法抓住了传氧这一关键因素，目
前应用很多。具体应用中要注意几个问题。
1.小试中要测得准确的kLa值，选择合适 的计算公式。
2.注意各计算kLa公式在放大中参数的变 化及适用范围。
3.按照计算P0/Pg选择通气比，计算V求
kLa来计算（P0指不通气时的搅拌功率）
（4）恒定剪切力恒定叶端速度放大 剪切力与搅拌桨叶端速度成正比，在恒定
第三节小型罐到大型罐的放大
（一）以kLa为基准的比拟放大法 （二）以Po/V相等为准则的比拟放大 （三）其他的比拟放大方法
例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升 罐中进行生产。—淀粉酶试验， 获得 良好成绩。放大至20立方米罐。
以KLa为基准的比拟放大
H－罐身高 m； HL－不通气时的液位高 m； T－罐直径 m； D－涡轮搅拌器直径 ，m；
• 搅拌浆功率：增加搅拌 可以改善罐内液体的混 合和循环，从而具有抑制气泡聚合的效果，而 且可以避免低于平均氧浓度的死角存在。
表面活性剂 菌丝体浓度
三、非发酵情况下参数测定原理及方法
液相体积氧传递系数KLα的测定
动态测定法：溶氧电极法
直接测定法
亚硫酸盐氧化法
用铜离子作催化剂，溶解在水中的氧能立即氧化其中
1) 在气泡与包围着气泡的液体之间 存在着界面，在界面的气泡一侧存在着 一层气膜，在界面的液体一侧存在着一 层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的 液体分子都处于层流状态，分子间无对 流运动，因此氧的分子只能以扩散方式， 即在浓度差推动下而透过双膜。
2) 在空气主流空间的任一点，氧分 子的浓度相同，液体主流中也是如此。
NA
推动力 阻力
P Pi 1
Ci CL 1
kG P Pi kL Ci
CL ①
由于不能直接测kG定气膜kL和液膜处氧的分压、氧浓度，上试
不能直接用于实际操作。如果将两膜合并起来考虑ห้องสมุดไป่ตู้用总传质系
数和总推动力来考虑上式，则：
根据亨N利A定律k，G气P体的P溶解度与k L该C气体的C分L压成 正比，②可得：
体积功率放大时一般维持n3d2不变（n为搅拌桨 转速、d为搅拌桨直径，一般搅拌叶轮直径与罐 直径之比为0.33~0.45）
（5）恒定的混合时间tM放大
二、发酵罐的放大方法
发酵罐的比拟放大，要对具体情况 做具体分析。根据不同的需要来确定放 大准则，再选取合适的方法。具体的放 大方法主要有以下几种：
四、实际发酵情况下摇瓶内发酵工艺及 工程参数的测定
实际发酵情况下摇瓶内工艺工程参数的测定
OUR=PmA(patm-pflask)/VL; OUR’=PmA(pa-pf)/VL’ KLa=OUR/C*flask-CL)； KLa’=OUR/(c*-cL)
Pm－－摇瓶口过滤层氧通透率，mmol/(cm2·h·Pa) OUR,OUR’－－培养液中菌体的摄氧率，mmol/(L·h) KLa, KLa’－－容量传质系数， h-1 Patm—大气中氧的分压，Pa Pflask――摇瓶内氧的分压， Pa； A－摇瓶口截面积， cm2 VL’－－培养液体积， ml VL――对应时刻培养液真实体积， ml
5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅 拌，对菌株的剪切力较小。发酵罐是直接机械 搅拌，注意剪切力的影响和无菌的影响。
6、PH的控制，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补 料控制PH，发酵可以直接流加控制PH，比较方 便。
7、温度控制，摇瓶是空气直接接触或者传热控 制温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控 制，注意降温和加热的影响。
3) 在双膜之间的界面上，氧气的分 压强与溶于液体中的氧的浓度
4) 传质过程处于稳定状态，传质途 径上各点的氧的浓度不随时间而变。
氧气在气膜中的扩散动力来自于空气中的氧的分压与界面处氧
分压之差，即P - Pi，在液膜中扩散的动力来自于界面处氧浓度
与液体中氧浓度之差，即Ci - CL；
1
1
两种膜的阻力分别用 和kG 表示kL ，则单位界面氧的传递速率为：
二、气体溶解过程：双膜理论
氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实 现这一过程，氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障， 在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜，氧的溶解需要经 过这两层膜才能实现。因此，根据这一模型建立起来的 气体溶解理论称为双膜理论。