生物反应器的比拟放大
?生物反应器的放大目的及方法
? 生物反应器的放大目的、内容
? 生物反应器放大方法
?通风发酵罐的放大设计
? 机械搅拌通风发酵罐的经验放大
? 气升式发酵罐的放大
生物反应器的比拟放大
任何一个生物工程产品的研究开发周期必须经历 3个阶段：
（ 1） 实验室阶段
（ 2） 中试阶段
（ 3） 工厂化规模
?比拟放大
把小型设备中进行科学实验所获得的成果 在大生产设备中予
以再现的手段，它不是等比例放大,而是以相似论的方法进行
放大
比拟放大的依据：
1、单位体积液体的搅拌消耗功率
2、搅拌雷诺准数
3、溶氧系数
4、搅拌器叶尖线速度，
5、混合时间
生物反应器的放大目的及方法
?生物反应器的放大目的
应用理论分析和实验研究相结合的方法，总结生物反应系统的
内在规律及影响因素，重点研究解决有关的质量传递、动量传
递和热量传递问题，以便在反应器的放大过程中尽可能维持生
物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。
生物反应器的放大目的及方法
?比拟放大的内容
罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放
大问题，这些内容都有一定的相互关系。
?生物反应器的开发和设计过程
理论上，生物发酵过程和生物反应器的开发和设计过程由 3步
构成：
（ 1）在较宽的培养条件（例如培养基的培养物质组分及其浓度,pH、溶
氧速率 和溶氧浓度、搅拌剪切强度等）下对所用的生物细胞种进行试验，
以掌握细胞生长动力学及产物生成动力学等特性；
（ 2）根据试验结果，确定该生物发酵的最优的培养基配方和培养条件；
（ 3）对有关的质量传递、热量传递、动量传递等微观衡算方程进行求解，
导出能表达反应器内的环境条件和主要操作变量（搅拌转速、通风量、搅
拌功率、基质流加速率等）之间的关系模型。然后，应用此数学模型，计
算优化条件下主要操作变量的取值。
生物反应器的放大目的及方法
?生物反应器放大方法
? 理论方法
? 半理论方法
? 因次分析法
? 数学模型法
? 经验规则
生物反应器的放大目的及方法
?理论放大方法
所谓 理论放大法,就是建立及求解反应系统的动量、质量和能
量平衡方程。
?半理论放大方法
对动量方程进行简化，只考虑液流主体的流动，忽略局部的复
杂流动，进行设计放大。
生物反应器的放大目的及方法
?因次分析放大方法
所谓 因次分析放大法,就是在 放大过程中，维持生物发酵系统
参数构成的无因次数群（称为准数）恒定不变。
因次分析法机理
把反应系统的动量、质量、热量衡算以及有关的边界条件、初
始条件以无因次形式写出用于放大过程。
生物反应器的放大目的及方法
类 型 准数名称 物 理 意 义 准 数 表 达 式
动
量
传
递
Reynolds 惯性力 /黏性力 Re＝ ρNDi2/μ
Froude 惯性力 /重力 Fr＝ N2Di/g
Weber 惯性力 /表面张力 We＝ ρN2Di2d/σ
功率准数 PN＝ P0/(ρN3Di5)
质
量
传
递
Sherwood 总传质 /扩散传质 Sh＝ kD/Di
Schmidt (水力边界层 /传质边界层 )3 Sc＝ v/Di
Peclet 对流传质 /扩散传质 Pe＝ vL/Di
Fourier 过程时间 /扩散时间 Fo＝ Dit/D2
Biot 外部传质 /内部传质 Bi＝ kdp/Di
热量
传递
Nussel 总传质 /导热 Nu＝ αD/λ
Prandtl (水力边界层 /传热边界层 )3 Pr＝ V/α
表 1 生物反应过程常用的准数
生物反应器的放大目的及方法
数学模拟法 是根据有关原理和必要的试验结果，对实际的过程用数
学方程的形式加以描述，然后用计算机进行模拟研究、设计和放大。该
法的数学模型根据建立方法不同可分为由过程机理推导而得到的“机理
模型”、由经验数据归纳而得的“经验模型”和介于二者之间的“混合
模型”。
机理模型 是从分析过程的机理出发而建立起来的严谨的、系统的数
学方程式。此模型建立的基础是必须对过程要有深刻而透彻对了解。
经验模型 是一种以小型实验、中间试验或生产装置上实测对数据为
基础而建立的数学模型。
混合模型 是通过理论分析，确定各参数之间的函数关系的形式，在
通过实验数据来确定此函数式中各参数的数值，也就是把机理模型和经
验模型结合而得到的一种模型。
数学模拟放大法进行发酵罐的放大
数学模拟放大法进行发酵罐的放大
基础实验
测定值
过程模拟
用计算机
作
方案研究
实验参数范
围的制定
小试
中试
基础模型
的修正
模型放
大实验
用计算机作
设计计算
过程的基
本设计
计算结果
与实验结
果的比较
?经验放大原则
放大准则 所占比例 (%) 放大准则 所占比例 (%)
维持 P0/V不变 30 维持搅拌器叶尖线速度不变 20
维持 kLa不变 30 维持培养液溶氧浓度不变 20
表 2 通气发酵罐放大准则
生物反应器的放大目的及方法
通风发酵罐的放大设计
? 机械搅拌通风发酵罐的经验放大
? 以体积溶氧系数 kLa(或 kd)相等为基准的放大法
通气搅拌发酵罐的主要参数及计算公式,
（ 1）不通气的搅拌功率 P0＝ NPρN3Di5
（ 2）通气搅拌功率 Pg＝ 2.25× 10-3（ P0NDi3/Q0.08)0.39
或 Pg≈0.4P0
（ 3）循环时间 tcir=V/φcir
（ 4）循环速率 φcir＝ 2φP
（ 5）搅拌器泵送能力 φP＝ 1.3NDi5
（ 6）混合时间 tm=4 tcir
（ 7）体积溶氧系数 kLa＝ k(Pg/Vl)αvsβ
高好氧发酵通常应用等 kLa的原则进行反应器放大
通风发酵罐的放大设计实例
例 1-6-1 某厂在 100L机械搅拌发酵罐中进行淀粉酶生产试验, 所用端菌种为枯
草杆菌, 获得良好的发酵效果, 拟放大至 20m3生产罐 。 此发酵液为牛顿型流
体, 黏度 μ＝ 2.25× 10-3Pa·S,密度 ρL=1020kg/m3。 试验罐的尺寸为,D＝ 375mm
直径, 搅拌叶轮 Di＝ 125mm, 高径比 H/D=2.4,液深 HL=1.5D,4块挡板的
W/D=0.1；装液量为 60L,通气速率为 1.0VVm,使用两挡圆盘六直叶涡轮搅拌
器, 转速 ω＝ 350r/min。 通过实验研究, 证明此发酵为高耗氧的生物反应, 故
可按体积溶氧系数相等之原则进行放大 。
解,（ 1） 计算试验罐的 Kd值：
先求搅拌雷诺准数：
? ? 4
3
22 1013.4
1025.2
1 0 2 0)1 2 5.0(60/3 5 0 ??
?
???
??
?? Li
e
DR
故发酵系统属充分湍流，功率系数 NP=6.0。故两组叶轮的不通气时搅拌功率为：
KW )(0, 0 7 4 1W)(1.741 2 5.01 0 2 0603 5 0622 5
3
53
0 ??????
??
?
?????
iLP DNp ??
通气搅拌功率为,
? ? k W )(0395.0/1025.2 39.008.03203 ??? ? QDPp ig ?
从而可算出溶氧系数：
? ?? ? 697.056.0 1001.710/3.336.2 ?? ????? ?sLgd vVPnK
其中，空截面气速为：
( c m / m i n )3.545.374100060 2 ??????? ??? ?sv
（ 2）按几何相似原则确定 20m3生产罐的尺寸：
据题设几何尺寸比例，放大罐与小罐相同，则有 H/D＝ 2.24,D/Di=3，
HL/D=1.5。而有效装料体积仍取 60％，由此可得：
DD 5.14%6020V 2L ????? ?
由此求得 D=2.17m, H=2.4,D=5.20m,Di=D/3=0.72m,HL=1.5，
D=3.26m
（ 3） 决定大罐大通气流率 Q,按几何相似原则放大设备, 放大倍数越高,
其单位体积占有的发酵罐横截面越小, 若维持通气强度即 VVm不变, 则放
大后空截面气速则随罐容增大而迅速提高 。 因：
发酵罐装液量 VL∝ D3
通气量 Q则维持通气强度（ VVm）不变时，就有 Q∝ VL∝ D3
而空截面气速为：
DDQv s ??? 24?
若按通气强度不变，即取大罐大通气速率为 1.0VVm，可算出通气量为：
Q=20× 60%× 1.0=12m3/min=1.2× 107㎝ 3/min
相应的空截面气速为：
24.34 2 ??? DQv s ?
折中取 vs＝ 150cm/min,由此可计算大罐的通气速率为：
Q＝ × 2.172× （ 150/60/100）＝ 0.0925（ m3/s） =5.55（ m3/min）
可见，通气强度为 5.55/12＝ 0.462（ VVm）
（ 4）按 kd相等原则计算放大罐的搅拌转速和搅拌轴功率
? ?? ? 7.056.0897.056.0 104 3 4.710/3.336.2 nPvVPnk gsLgd ?? ????? ?
故有 7.01× 10-6＝ 7.343× 10-8Pg0.56n0.7
由此可得 Pg= 3356n-1.25
根据 Pg＝ 2.25× 10-3（ P0 NDi3/Q0.08)0.39,得 Pg的表达式，即：
? ? 39.078.0039.008.03203 206.0/1025.2 nPQnDPp ig ??? ?
所以有,P0=2.51× 105n-2.1 （ kW）
根据 P0＝ NPρN3Di5，可计算出不通气时大罐得搅拌轴功率为：
)W(1048.5)W(1048.5 3633530 knDnNP iP ?? ?? ?????
可求得：
?
?
?
?
?
??
?
?
? ( k W )19.83356
( k W )2.10
( r /m in )123
25.1
0
NP
P
n
g
试验罐与放大罐计算结果比较
项 目 试 验 罐 放 大 罐
公称体积 V/m3 0.1 20
有效体积 VL/m3 0.06 12
放大倍数 1 200
高径比 H/D 2.4 2.4
液柱高 HL/D 1.5 1.5
搅拌叶轮 Di/D 1/3 1/3
通气强度 /VVm 1.0 0.462
P0/VL（ KW/m3） 1.24 0.789
Pg/VL（ KW/m3） 0.658 0.704
搅拌转速 n/（ r/min） 350 120
溶氧速率 kd 7.01× 10-6 7.01× 10-6
?机械搅拌通风发酵罐的经验放大
? 以 P0/VL相等的准则进行反应器的放大
对于溶氧速度控制发酵反应的非牛顿型发酵液,通常 应用
P0/VL相等准则进行反应器的放大。
项 目 试 验 罐 放大罐 (kLa相等 ) 放大罐 (P0/VL相等 )
公称体积 V/m3 0.1 20 20
有效体积 VL/m3 0.06 12 12
放大倍数 1 200 200
高径比 H/D 2.4 2.4 2.4
液柱高 HL/D 1.5 1.5 1.5
搅拌叶轮 Di/D 1/3 1/3 1/3
通气强度 /VVm 1.0 0.462 0.462
P0/VL（ KW/m3） 1.24 0.789 1.18
Pg/VL（ KW/m3） 0.658 0.704 0.85
搅拌转速 n/（ r/min） 350 120 109
溶氧速率 kd 7.01× 10-6 7.01× 10-6 7.28× 10-6
?机械搅拌通风发酵罐的经验放大
? 以体积溶氧系数 kLa(或 kd)相等为基准的放大法
? 以 P0/VL相等的准则进行反应器的放大
? 以搅拌叶尖速度相等的准则进行机械搅拌通风发酵罐的放大
? 以混合时间相等的准则进行放大
? 搅拌液流速压头 H、搅拌液循环速率（对机械搅拌发酵罐为
泵送能力） QL以及 QL/H比值对发酵反应器放大设计的影响
通风发酵罐的放大设计
测定试验罐的 Q,N、发酵速率及几何尺寸
检测发酵液的特征,ρ,σ,μ（或 μs）
计算试验罐 VVm,Q/(NDi3),πNDi及 Re等
预期 NP,P0/Pg,Pg/ VL和 kLa
进行放大计算
根据生产量和产率选择发酵罐的体积和个数
按几何相似原则计算放大罐的尺寸
确定放大准则，通常对高耗氧生物反应用 kLa相等准则
计算 Q和 N
方法 1 方法 2
根据① VVm相等原则或② Q/（ ND3）
相等原则或③ vs相等原则确定 Q
利用搅拌器叶尖线速度
相等准则计算 N
根据 Pg与 kLa关系计算 N
估算搅拌功率
根据 Pg与 kLa关系计算 Q
机
械
搅
拌
发
酵
罐
放
大
过
程
气升式发酵罐的放大
? 空气压缩的能量消耗及溶氧传质
对气升式反应器，输入对压缩空气的压强、流量及空气压缩
所用的空气压缩机的型号规格是决定这类反应器能耗的关键。
气升式发酵罐的溶氧系数 kLa 与空气截面气速 vs的关系式为,
kLa = 0.0023(vs/ds)1.58
kLa = bvsm
? 气升式发酵罐的放大
?生物反应器的放大目的及方法
? 生物反应器的放大目的、内容
? 生物反应器放大方法
?通风发酵罐的放大设计
? 机械搅拌通风发酵罐的经验放大
? 气升式发酵罐的放大
生物反应器的比拟放大
任何一个生物工程产品的研究开发周期必须经历 3个阶段：
（ 1） 实验室阶段
（ 2） 中试阶段
（ 3） 工厂化规模
?比拟放大
把小型设备中进行科学实验所获得的成果 在大生产设备中予
以再现的手段，它不是等比例放大,而是以相似论的方法进行
放大
比拟放大的依据：
1、单位体积液体的搅拌消耗功率
2、搅拌雷诺准数
3、溶氧系数
4、搅拌器叶尖线速度，
5、混合时间
生物反应器的放大目的及方法
?生物反应器的放大目的
应用理论分析和实验研究相结合的方法，总结生物反应系统的
内在规律及影响因素，重点研究解决有关的质量传递、动量传
递和热量传递问题，以便在反应器的放大过程中尽可能维持生
物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。
生物反应器的放大目的及方法
?比拟放大的内容
罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放
大问题，这些内容都有一定的相互关系。
?生物反应器的开发和设计过程
理论上，生物发酵过程和生物反应器的开发和设计过程由 3步
构成：
（ 1）在较宽的培养条件（例如培养基的培养物质组分及其浓度,pH、溶
氧速率 和溶氧浓度、搅拌剪切强度等）下对所用的生物细胞种进行试验，
以掌握细胞生长动力学及产物生成动力学等特性；
（ 2）根据试验结果，确定该生物发酵的最优的培养基配方和培养条件；
（ 3）对有关的质量传递、热量传递、动量传递等微观衡算方程进行求解，
导出能表达反应器内的环境条件和主要操作变量（搅拌转速、通风量、搅
拌功率、基质流加速率等）之间的关系模型。然后，应用此数学模型，计
算优化条件下主要操作变量的取值。
生物反应器的放大目的及方法
?生物反应器放大方法
? 理论方法
? 半理论方法
? 因次分析法
? 数学模型法
? 经验规则
生物反应器的放大目的及方法
?理论放大方法
所谓 理论放大法,就是建立及求解反应系统的动量、质量和能
量平衡方程。
?半理论放大方法
对动量方程进行简化，只考虑液流主体的流动，忽略局部的复
杂流动，进行设计放大。
生物反应器的放大目的及方法
?因次分析放大方法
所谓 因次分析放大法,就是在 放大过程中，维持生物发酵系统
参数构成的无因次数群（称为准数）恒定不变。
因次分析法机理
把反应系统的动量、质量、热量衡算以及有关的边界条件、初
始条件以无因次形式写出用于放大过程。
生物反应器的放大目的及方法
类 型 准数名称 物 理 意 义 准 数 表 达 式
动
量
传
递
Reynolds 惯性力 /黏性力 Re＝ ρNDi2/μ
Froude 惯性力 /重力 Fr＝ N2Di/g
Weber 惯性力 /表面张力 We＝ ρN2Di2d/σ
功率准数 PN＝ P0/(ρN3Di5)
质
量
传
递
Sherwood 总传质 /扩散传质 Sh＝ kD/Di
Schmidt (水力边界层 /传质边界层 )3 Sc＝ v/Di
Peclet 对流传质 /扩散传质 Pe＝ vL/Di
Fourier 过程时间 /扩散时间 Fo＝ Dit/D2
Biot 外部传质 /内部传质 Bi＝ kdp/Di
热量
传递
Nussel 总传质 /导热 Nu＝ αD/λ
Prandtl (水力边界层 /传热边界层 )3 Pr＝ V/α
表 1 生物反应过程常用的准数
生物反应器的放大目的及方法
数学模拟法 是根据有关原理和必要的试验结果，对实际的过程用数
学方程的形式加以描述，然后用计算机进行模拟研究、设计和放大。该
法的数学模型根据建立方法不同可分为由过程机理推导而得到的“机理
模型”、由经验数据归纳而得的“经验模型”和介于二者之间的“混合
模型”。
机理模型 是从分析过程的机理出发而建立起来的严谨的、系统的数
学方程式。此模型建立的基础是必须对过程要有深刻而透彻对了解。
经验模型 是一种以小型实验、中间试验或生产装置上实测对数据为
基础而建立的数学模型。
混合模型 是通过理论分析，确定各参数之间的函数关系的形式，在
通过实验数据来确定此函数式中各参数的数值，也就是把机理模型和经
验模型结合而得到的一种模型。
数学模拟放大法进行发酵罐的放大
数学模拟放大法进行发酵罐的放大
基础实验
测定值
过程模拟
用计算机
作
方案研究
实验参数范
围的制定
小试
中试
基础模型
的修正
模型放
大实验
用计算机作
设计计算
过程的基
本设计
计算结果
与实验结
果的比较
?经验放大原则
放大准则 所占比例 (%) 放大准则 所占比例 (%)
维持 P0/V不变 30 维持搅拌器叶尖线速度不变 20
维持 kLa不变 30 维持培养液溶氧浓度不变 20
表 2 通气发酵罐放大准则
生物反应器的放大目的及方法
通风发酵罐的放大设计
? 机械搅拌通风发酵罐的经验放大
? 以体积溶氧系数 kLa(或 kd)相等为基准的放大法
通气搅拌发酵罐的主要参数及计算公式,
（ 1）不通气的搅拌功率 P0＝ NPρN3Di5
（ 2）通气搅拌功率 Pg＝ 2.25× 10-3（ P0NDi3/Q0.08)0.39
或 Pg≈0.4P0
（ 3）循环时间 tcir=V/φcir
（ 4）循环速率 φcir＝ 2φP
（ 5）搅拌器泵送能力 φP＝ 1.3NDi5
（ 6）混合时间 tm=4 tcir
（ 7）体积溶氧系数 kLa＝ k(Pg/Vl)αvsβ
高好氧发酵通常应用等 kLa的原则进行反应器放大
通风发酵罐的放大设计实例
例 1-6-1 某厂在 100L机械搅拌发酵罐中进行淀粉酶生产试验, 所用端菌种为枯
草杆菌, 获得良好的发酵效果, 拟放大至 20m3生产罐 。 此发酵液为牛顿型流
体, 黏度 μ＝ 2.25× 10-3Pa·S,密度 ρL=1020kg/m3。 试验罐的尺寸为,D＝ 375mm
直径, 搅拌叶轮 Di＝ 125mm, 高径比 H/D=2.4,液深 HL=1.5D,4块挡板的
W/D=0.1；装液量为 60L,通气速率为 1.0VVm,使用两挡圆盘六直叶涡轮搅拌
器, 转速 ω＝ 350r/min。 通过实验研究, 证明此发酵为高耗氧的生物反应, 故
可按体积溶氧系数相等之原则进行放大 。
解,（ 1） 计算试验罐的 Kd值：
先求搅拌雷诺准数：
? ? 4
3
22 1013.4
1025.2
1 0 2 0)1 2 5.0(60/3 5 0 ??
?
???
??
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DR
故发酵系统属充分湍流，功率系数 NP=6.0。故两组叶轮的不通气时搅拌功率为：
KW )(0, 0 7 4 1W)(1.741 2 5.01 0 2 0603 5 0622 5
3
53
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iLP DNp ??
通气搅拌功率为,
? ? k W )(0395.0/1025.2 39.008.03203 ??? ? QDPp ig ?
从而可算出溶氧系数：
? ?? ? 697.056.0 1001.710/3.336.2 ?? ????? ?sLgd vVPnK
其中，空截面气速为：
( c m / m i n )3.545.374100060 2 ??????? ??? ?sv
（ 2）按几何相似原则确定 20m3生产罐的尺寸：
据题设几何尺寸比例，放大罐与小罐相同，则有 H/D＝ 2.24,D/Di=3，
HL/D=1.5。而有效装料体积仍取 60％，由此可得：
DD 5.14%6020V 2L ????? ?
由此求得 D=2.17m, H=2.4,D=5.20m,Di=D/3=0.72m,HL=1.5，
D=3.26m
（ 3） 决定大罐大通气流率 Q,按几何相似原则放大设备, 放大倍数越高,
其单位体积占有的发酵罐横截面越小, 若维持通气强度即 VVm不变, 则放
大后空截面气速则随罐容增大而迅速提高 。 因：
发酵罐装液量 VL∝ D3
通气量 Q则维持通气强度（ VVm）不变时，就有 Q∝ VL∝ D3
而空截面气速为：
DDQv s ??? 24?
若按通气强度不变，即取大罐大通气速率为 1.0VVm，可算出通气量为：
Q=20× 60%× 1.0=12m3/min=1.2× 107㎝ 3/min
相应的空截面气速为：
24.34 2 ??? DQv s ?
折中取 vs＝ 150cm/min,由此可计算大罐的通气速率为：
Q＝ × 2.172× （ 150/60/100）＝ 0.0925（ m3/s） =5.55（ m3/min）
可见，通气强度为 5.55/12＝ 0.462（ VVm）
（ 4）按 kd相等原则计算放大罐的搅拌转速和搅拌轴功率
? ?? ? 7.056.0897.056.0 104 3 4.710/3.336.2 nPvVPnk gsLgd ?? ????? ?
故有 7.01× 10-6＝ 7.343× 10-8Pg0.56n0.7
由此可得 Pg= 3356n-1.25
根据 Pg＝ 2.25× 10-3（ P0 NDi3/Q0.08)0.39,得 Pg的表达式，即：
? ? 39.078.0039.008.03203 206.0/1025.2 nPQnDPp ig ??? ?
所以有,P0=2.51× 105n-2.1 （ kW）
根据 P0＝ NPρN3Di5，可计算出不通气时大罐得搅拌轴功率为：
)W(1048.5)W(1048.5 3633530 knDnNP iP ?? ?? ?????
可求得：
?
?
?
?
?
??
?
?
? ( k W )19.83356
( k W )2.10
( r /m in )123
25.1
0
NP
P
n
g
试验罐与放大罐计算结果比较
项 目 试 验 罐 放 大 罐
公称体积 V/m3 0.1 20
有效体积 VL/m3 0.06 12
放大倍数 1 200
高径比 H/D 2.4 2.4
液柱高 HL/D 1.5 1.5
搅拌叶轮 Di/D 1/3 1/3
通气强度 /VVm 1.0 0.462
P0/VL（ KW/m3） 1.24 0.789
Pg/VL（ KW/m3） 0.658 0.704
搅拌转速 n/（ r/min） 350 120
溶氧速率 kd 7.01× 10-6 7.01× 10-6
?机械搅拌通风发酵罐的经验放大
? 以 P0/VL相等的准则进行反应器的放大
对于溶氧速度控制发酵反应的非牛顿型发酵液,通常 应用
P0/VL相等准则进行反应器的放大。
项 目 试 验 罐 放大罐 (kLa相等 ) 放大罐 (P0/VL相等 )
公称体积 V/m3 0.1 20 20
有效体积 VL/m3 0.06 12 12
放大倍数 1 200 200
高径比 H/D 2.4 2.4 2.4
液柱高 HL/D 1.5 1.5 1.5
搅拌叶轮 Di/D 1/3 1/3 1/3
通气强度 /VVm 1.0 0.462 0.462
P0/VL（ KW/m3） 1.24 0.789 1.18
Pg/VL（ KW/m3） 0.658 0.704 0.85
搅拌转速 n/（ r/min） 350 120 109
溶氧速率 kd 7.01× 10-6 7.01× 10-6 7.28× 10-6
?机械搅拌通风发酵罐的经验放大
? 以体积溶氧系数 kLa(或 kd)相等为基准的放大法
? 以 P0/VL相等的准则进行反应器的放大
? 以搅拌叶尖速度相等的准则进行机械搅拌通风发酵罐的放大
? 以混合时间相等的准则进行放大
? 搅拌液流速压头 H、搅拌液循环速率（对机械搅拌发酵罐为
泵送能力） QL以及 QL/H比值对发酵反应器放大设计的影响
通风发酵罐的放大设计
测定试验罐的 Q,N、发酵速率及几何尺寸
检测发酵液的特征,ρ,σ,μ（或 μs）
计算试验罐 VVm,Q/(NDi3),πNDi及 Re等
预期 NP,P0/Pg,Pg/ VL和 kLa
进行放大计算
根据生产量和产率选择发酵罐的体积和个数
按几何相似原则计算放大罐的尺寸
确定放大准则，通常对高耗氧生物反应用 kLa相等准则
计算 Q和 N
方法 1 方法 2
根据① VVm相等原则或② Q/（ ND3）
相等原则或③ vs相等原则确定 Q
利用搅拌器叶尖线速度
相等准则计算 N
根据 Pg与 kLa关系计算 N
估算搅拌功率
根据 Pg与 kLa关系计算 Q
机
械
搅
拌
发
酵
罐
放
大
过
程
气升式发酵罐的放大
? 空气压缩的能量消耗及溶氧传质
对气升式反应器，输入对压缩空气的压强、流量及空气压缩
所用的空气压缩机的型号规格是决定这类反应器能耗的关键。
气升式发酵罐的溶氧系数 kLa 与空气截面气速 vs的关系式为,
kLa = 0.0023(vs/ds)1.58
kLa = bvsm
? 气升式发酵罐的放大
