第六章生物反应器的比拟放大精选文档.ppt

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1、第六章生物反应器的比拟放大本讲稿第一页，共二十五页第一节第一节 生物反应器比拟放大的目的和方法生物反应器比拟放大的目的和方法 一.引言1生物工程产品的研究开发的三个阶段：（1）实验室阶段（2）中试（3）工厂化生产本讲稿第二页，共二十五页2.生物反应器的放大：以实验室和中试所取得的数据为依据，设计制造大规模的反应系统以进行工业规模的生产。本讲稿第三页，共二十五页二放大的核心问题和目的1核心问题：生物反应器中有三种重要的过程：热力学过程，微观动力学过程，传递过程。而核心问题是传递过程。因为规模的放大对传递过程的影响最大。本讲稿第四页，共二十五页2放大目的或指标 维持中试所得到的最佳的细胞生长速率，

2、产物的生成速率。本讲稿第五页，共二十五页三放大的常用方法1理论放大法（1）生物反应器的传递：对流和扩散起作用。（2）对流传递的时间常数：（3）扩散传递时间常数：本讲稿第六页，共二十五页（3）反应转化时间常数本讲稿第七页，共二十五页理论法的定义：建立求解反应系统的动量，质量和能量平衡方程，来放大。由于：系统的动量平衡方程难于建立和求解很难，所以在实际中很少应用。只是用于发酵液静止或属于滞流系统。本讲稿第八页，共二十五页2半理论放大法（1）定义：由于难于建立动量平衡方程，为解决这一问题，对动量方程做了简化：只考虑液体的主体流动，忽略局部的复杂的流动。流型：活塞流，带液体微元分散的活塞流，完全混合流

3、动。本讲稿第九页，共二十五页（2）带液体微元分散的活塞流质量衡算方程：v液体的流速，m/sc反应基质浓度 kg/m3De基质在培养基中的扩散系数m2/sr生物反应速度kg/(m3*s)x.传递方向的位移本讲稿第十页，共二十五页(3)对于多罐串连的完全混合反应系统的质量衡算方程qv（cn-cn+1）=Vn+1rn+1qv体积流量V反应液体积本讲稿第十一页，共二十五页3.因次分析法（1）准数：无因次数群（无量纲数群）。（2）因次分析法的定义：依据质量动量衡算方程构建准数，放大过程维持准数不变。准数要有一定的物理意义本讲稿第十二页，共二十五页（3）准数的构成：几何参数：H，D。物理化学参数：，u。过

4、程变量：N，VL常数例子讲解以微元分散活塞流为例本讲稿第十三页，共二十五页4经验法（最常用的方法）重点讲授本讲稿第十四页，共二十五页第二节 通气发酵罐的经验放大法1以体积溶氧系数相等来进行放大（1）适用条件：高浓度细胞培养，消耗氧气的速度很快，氧气的传递速率成为发酵关键因素。本讲稿第十五页，共二十五页（2）过程：几何相似几何相似放大发酵罐依据体积溶氧系数相等确定其它参数其它参数本讲稿第十六页，共二十五页2.按P0/VL 相等原则进行放大（P0，不通气搅拌功率）（1）适用条件：对于溶氧速率控制的发酵反应，发酵液为非牛顿型流体 有效放大范围 本讲稿第十七页，共二十五页放大过程放大过程:本讲稿第十八

5、页，共二十五页3.以搅拌叶尖线速度相等为原则进行放大。有些情况，只是维持P0/VL不变，不能满足细胞对搅拌器剪切力的要求（如对剪切力敏感，或需要高的剪切力使代谢物释放出来）本讲稿第十九页，共二十五页4.以搅拌混合时间相等为原则进行放大。（1）混合时间：发酵罐内放入某种指示剂使发酵液和指示剂达到分子水平均匀混合所需要的时间。(2)不适用于大型发酵罐，因为如果按此原则Di/D 会变大，这样溶氧效率低而且剪切力变大，但可作为一个标准进行校准。本讲稿第二十页，共二十五页（3）公式本讲稿第二十一页，共二十五页5以搅拌液流速度压头H、搅拌液流循环速率QL、或QL/H 相等为准则进行放大。H (nDi)2Q

6、LnDi3QL/HDi/n本讲稿第二十二页，共二十五页二气升式反应器的放大 通常以空截面气速为基准本讲稿第二十三页，共二十五页总之放大是为了到达预期经济目标：总之放大是为了到达预期经济目标：因此选择方法，要因此选择方法，要综合考虑综合考虑，抓住关键的因数抓住关键的因数。但要明确：但要明确：（1）放大通常的第一步是放大通常的第一步是几何相似几何相似放大确定放大确定放大的尺寸，放大的尺寸，（2）然后再按然后再按公式计算公式计算放大的其它参数，放大的其它参数，（3）最后再根据具体情况进行最后再根据具体情况进行适度调整适度调整。本讲稿第二十四页，共二十五页总结总结1生物工程产品的研究开发有哪三个阶段？2.生物反应器放大的定义是什么？3.的核心内容和目的是什么？4.常用的生物反应器放大放大方法有那些？5.机械通风发酵罐的经验放大法有那些？6.掌握经验放大法，及其适用条件，并能够进行相关计算？7.理解因次，准数的意义。本讲稿第二十五页，共二十五页