第八章 发酵罐的比拟放大
? 比拟放大,是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 。
发酵罐 放大的目的
? 一个生物反应过程的开发，通常是在实验
室规模、中试规模优化研究的基础上最后才在
大型生产设备中投入生产的。
? 但在不同大小的反应器中进行相同的生物
反应时，在发酵罐质量、热量和动量传递上的
差别，有可能导致反应速率以及反应时具体过
程的差异，从而导致反应的异化。因此，发酵
罐的比拟放大是生物化学工业中的一个重要研
究课题。
发酵罐的放大原则（一）
? 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。下面就介绍一
些放大准则。
（ 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。
（ 2） 恒定等体积功率放大 由 Pg/V恒定而确
定搅拌转速。
发酵罐的放大原则（二）
（三）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 Vs求 kL来
计算
发酵罐的放大原则（三）
（四）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）
（五）恒定的混合时间 tM放大
另外，还有人主张考虑 NRe及动量因
子来放大等，这里就不一一介绍了。
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：
? （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
三 比拟放大和它的基本方法
? 首先必须找出表征着此系统的各种参数，
将它们组成几个具有一定物理含义的无
因次数，并建立它们间的函数式，然后
用实验的方法在试验设备中求得此函数
式中所包含的常数和指数，则此关系式
在一定条件下便可用作为比似放大的依
据。比拟放大是化工过程研究和生产中
常用的基本方法之一。
在发酵工程中是否适用和发酵
工程中所用的比拟放大方法
? 发酵过程是一个复杂的生物化学过程，影响这
个过程的参数有物理的、化学的、生物的，有
些虽然已经被认识了，但目前还不能准确快速
地测量，有些则尚未被认识。
? 现在只研究了少数参数对此过程的关系，而假
定其它参数是不变的，实际上不可能都是不变
的。因此发酵生产过程设备比似放大理论与技
术的完善，有赖于对发酵过程的本质的深入了
解。
? 发酵工程中所用的比拟放大方法有：等 KLa,
等 π DN,等 Pg/V,等 Re或动量因子,相似的混合
时间等。
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。
? 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 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。
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。
? 比拟放大,是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 。
发酵罐 放大的目的
? 一个生物反应过程的开发，通常是在实验
室规模、中试规模优化研究的基础上最后才在
大型生产设备中投入生产的。
? 但在不同大小的反应器中进行相同的生物
反应时，在发酵罐质量、热量和动量传递上的
差别，有可能导致反应速率以及反应时具体过
程的差异，从而导致反应的异化。因此，发酵
罐的比拟放大是生物化学工业中的一个重要研
究课题。
发酵罐的放大原则（一）
? 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。下面就介绍一
些放大准则。
（ 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。
（ 2） 恒定等体积功率放大 由 Pg/V恒定而确
定搅拌转速。
发酵罐的放大原则（二）
（三）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 Vs求 kL来
计算
发酵罐的放大原则（三）
（四）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）
（五）恒定的混合时间 tM放大
另外，还有人主张考虑 NRe及动量因
子来放大等，这里就不一一介绍了。
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：
? （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
三 比拟放大和它的基本方法
? 首先必须找出表征着此系统的各种参数，
将它们组成几个具有一定物理含义的无
因次数，并建立它们间的函数式，然后
用实验的方法在试验设备中求得此函数
式中所包含的常数和指数，则此关系式
在一定条件下便可用作为比似放大的依
据。比拟放大是化工过程研究和生产中
常用的基本方法之一。
在发酵工程中是否适用和发酵
工程中所用的比拟放大方法
? 发酵过程是一个复杂的生物化学过程，影响这
个过程的参数有物理的、化学的、生物的，有
些虽然已经被认识了，但目前还不能准确快速
地测量，有些则尚未被认识。
? 现在只研究了少数参数对此过程的关系，而假
定其它参数是不变的，实际上不可能都是不变
的。因此发酵生产过程设备比似放大理论与技
术的完善，有赖于对发酵过程的本质的深入了
解。
? 发酵工程中所用的比拟放大方法有：等 KLa,
等 π DN,等 Pg/V,等 Re或动量因子,相似的混合
时间等。
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。
? 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 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。
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。
