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第五章 生物反应器和比拟放大

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教学时数： 4 学时教学目的与要求：能够说出生物反应器有哪些种类，各种生物反应器有什么优缺点及适用范围，掌握反应器的比拟放大原则及各种影响放大效果的因素；教学重点：生化反应器的比拟放大原则及各种影响放大效果的因素；教学难点：生化反应器的比拟放大原则及各种影响放大效果的因素；

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主要内容

一、概述

二、生化反应器的特点

三、生化反应器的种类及选择与操作

四、反应器比拟放大

一 . 概述

生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增

殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程

中的关键设备，常称发酵罐或酶反应器。生物反应器的

结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质

量、收率（转化率）和能耗有密切关系。生物反应器的

设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学

工程的重要组成部分。

微生物反应器：是生产中最基本也是最主要的设备，

其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各

种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏

防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消

耗下获得较高的产量。

① 厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一

般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产。

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②② 好氧生物反应器：好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，生产过程中需不断通入无菌空气，

因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨

基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白 SCPSCP

等的生产。等的生产。

根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械

搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。

二、生化反应器的特点

① 生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应

皆由生物催化剂 - 酶来催化的。决定了酶反应必须

在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的 pH 、

较低的温度及近似细胞生理条件下进行。

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② 生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是

相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用

来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。由于反

应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一

个如何控制反应过程使其最优化的问题。

③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。④由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的

产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品。⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。

三 . 生化反应器的种类及选择与操作

1、生化反应器的种类

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（（ 11）机械搅拌式生化反应器）机械搅拌式生化反应器

它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功

率。这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到率。这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到

非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需

要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。

缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般 2~4kw/2~4kw/

mm33 ，这对大型的反应器来说是个巨大负担。，这对大型的反应器来说是个巨大负担。

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机械搅拌发酵罐的基本条件

① 发酵罐应具有适宜的高径比。一般高径比为 2.5~4 。

② 发酵罐能承受一定的压力。由于发酵罐在消毒和正常工作时，罐内有一定的压力和温度，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受一定的压力。

③发酵罐的通风搅拌装置要能使气泡分散细碎，

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气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的

利用率。利用率。

④④发酵罐应具有足够的冷却面积。发酵罐应具有足够的冷却面积。

⑤⑤发酵灌内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积污，发酵灌内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积污，

使灭菌彻底，避免染菌。使灭菌彻底，避免染菌。

⑥⑥搅拌器的轴封严密，尽量减少泄漏。搅拌器的轴封严密，尽量减少泄漏。

机械搅拌罐结构

设备主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器

中间轴承，空气喷射器、挡板、冷却装置、人孔

① 罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接成，材

料为碳钢或不锈钢。为满足工艺要求，罐需承受

一定压力，通常灭菌压力 0.25MPa(绝对大气压 )。

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②② 搅拌器和挡板搅拌器和挡板

涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式

三种，其主要是打碎气泡，加速和提高溶氧。平三种，其主要是打碎气泡，加速和提高溶氧。平

叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。

挡板的作用是防止液面中央产生旋涡，促使液体挡板的作用是防止液面中央产生旋涡，促使液体

激烈翻动，提高溶氧。挡板宽度约为激烈翻动，提高溶氧。挡板宽度约为

（（ 0.1~0.120.1~0.12）） DD。装设。装设 6~46~4块挡板，可满足全块挡板，可满足全

挡板条件。挡板条件。

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全挡板条件是指在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：(W/D)Z=0.5D------------ 罐的直径Z------------挡板数W-----------挡板宽度

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③轴封

轴封的作用是防止泄漏和染菌。常用的轴封有填料函和端面轴封。填料函由填料箱体、底衬套、压盖和压紧螺栓等零件组成。端面轴封的作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对运动而达到密封。

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(2)自吸式发酵罐

原理：

它是由充气搅拌叶轮或循环泵来完成对发酵液的搅

拌、充气的。自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌

器和导轮，简称为转子及定子。转子由罐底向上升

入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。

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在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，被甩到叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，在转子中心处形成了负压，转子转速愈快，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布。

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① 优点：

节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、

空气贮罐等设备，减少了厂房占地面积，节省投资；通气

质量是最好的，通入发酵液中的 2315m2气液接触面积/m3

空气；动力消耗低；设备便于自动化、连续化、降低了劳

动强度，减少劳动力。

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②② 缺点：缺点：

空气靠负压吸入到罐内，所以要求使用低阻力、空气靠负压吸入到罐内，所以要求使用低阻力、

高除菌效率的空气净化系统；由于结构上的特点，高除菌效率的空气净化系统；由于结构上的特点，

大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在大型自吸式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在

30m/s30m/s 左右，在叶轮周围形成强烈的剪切区域。充左右，在叶轮周围形成强烈的剪切区域。充

气搅拌叶轮的充气量随发酵液的深度增大而减少，气搅拌叶轮的充气量随发酵液的深度增大而减少，

因此比拟放大有一最适范围。罐压较低，对某些产因此比拟放大有一最适范围。罐压较低，对某些产

品生产容易造成染菌。品生产容易造成染菌。

(3)气升式生化反应器

工作机理：

是在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上

部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部

装设空气喷嘴，空气喷嘴以 250~300（m/s）

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的高速度喷入上升管借喷嘴的作用而使空气泡分割的高速度喷入上升管借喷嘴的作用而使空气泡分割

细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管

内的发酵液轻。加上压缩空气的喷流动能，因此内的发酵液轻。加上压缩空气的喷流动能，因此

使上升管的液体上升，罐内的液体下降而进入上使上升管的液体上升，罐内的液体下降而进入上

升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解

气量，使发酵正常进行。分内循环和外循环两种。气量，使发酵正常进行。分内循环和外循环两种。

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优点： 结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备节省动

力约 50%，节省钢材；操作时无噪音；料液可充满 80%~90%，而不需加消泡剂；维修、操作及清洗简单，减少杂菌污染。

缺点：对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。

(4)新型啤酒发酵设备

圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）

广泛用于发酵啤酒生产。这种设备的优点在于能缩

短发酵时间，而且具有生产上的灵活性。故能适合

于生产各种类型啤酒的要求。这种设备一般置于室

外。已灭菌的新鲜麦芽汁与酵母由底部进入罐内，

发酵最旺盛时，使用全部冷却夹套，维持适宜的发

酵温度。

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锥底内角为 60度，内有涂料的钢罐的锥底内角为75度，使排污的时候，酵母可强制排出。罐的容量系数为 80%~85%。视罐体高度，冷却夹套分为 2~4段，锥体夹套可设一段或不设。发酵罐应保温，以尽量减少冷、热消耗。多数是采用夹层聚胺酯发泡保温。外壳多数是采用塑料、铝或不锈钢。罐体的材料为不锈钢或碳钢加涂料。

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(5) 动物细胞生物反应器

① 气升式生物反应器只能培养悬浮生长的细胞

② 中空纤维管生物反应器即可培养悬浮生长的细

胞，也可培养贴壁依赖性细胞主要用来培养

杂交瘤细胞，生产单克隆抗体

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③③通气搅拌反应器通气搅拌反应器

动物细胞是一种无细胞壁的真核细胞，生长缓慢，动物细胞是一种无细胞壁的真核细胞，生长缓慢，

对培养环境十分敏感。动物细胞十分脆弱，对剪切对培养环境十分敏感。动物细胞十分脆弱，对剪切

应力敏感。一种安全有效的方法是通过改变通入培应力敏感。一种安全有效的方法是通过改变通入培

养罐内气体的氧气和氮气来实现控制养罐内气体的氧气和氮气来实现控制 DODO。采用二。采用二

氧化碳和碳酸氢钠缓冲液来控制体系的氧化碳和碳酸氢钠缓冲液来控制体系的 pHpH值，它值，它

主要是预先加入适量的碳酸氢钠和通过改变进入反主要是预先加入适量的碳酸氢钠和通过改变进入反

应器内气体流量中的二氧化碳的含量来实现。应器内气体流量中的二氧化碳的含量来实现。

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(6)植物细胞培养反应器

同上

植物细胞比微生物细胞大得多。由于大小不一样，产生一系

列问题比如混合和传质问题。另一个问题是植物细胞很少是

以单一细胞悬浮生长，通常是一团细胞非均相集合体，当细

胞密度高，粘性大的时候，容易产生混合和循环不良。

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高剪切力易损坏植物细胞壁。所有植物细胞都是好高剪切力易损坏植物细胞壁。所有植物细胞都是好

氧的，需要连续不断供氧，与微生物细胞相反，它氧的，需要连续不断供氧，与微生物细胞相反，它

不需要高的气液传质速率，而是要控制供氧量，以不需要高的气液传质速率，而是要控制供氧量，以

保持较低的水平。植物细胞对溶氧的变化非常敏感，保持较低的水平。植物细胞对溶氧的变化非常敏感，

太高或太低都有不良影响。太高或太低都有不良影响。

2、生物反应器设计基本原则

① 在反应系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不

应直接连通。

②尽量较少法兰连接。

③尽可能采用全部焊接结构。所有焊接点必须切

实磨光，消除蓄积菌体的场所。

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④④防止死角、裂缝。发酵系统的某些部分能单独防止死角、裂缝。发酵系统的某些部分能单独

灭菌。与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封，灭菌。与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封，

如采样口的阀门在不使用时，其出口处应有流动如采样口的阀门在不使用时，其出口处应有流动

蒸汽通过。蒸汽通过。

⑤⑤所用阀门应易于清洗、维修和灭菌。所用阀门应易于清洗、维修和灭菌。

⑥ ⑥ 发酵罐应始终保持在正压以排除渗漏。发酵罐应始终保持在正压以排除渗漏。

⑦⑦几乎所有的发酵罐都由玻璃或不锈钢制成。玻几乎所有的发酵罐都由玻璃或不锈钢制成。玻

璃只限用在小于璃只限用在小于 20~30L20~30L的发酵罐。的发酵罐。

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四 . 比拟放大

为了使小型发酵试验所获得的规律和数据能在大

生产中再现，就要掌握和运用放大技术。

放大一般有两个基本手段：

（ 1）用相似原理进行比拟放大，常用的方法；

（ 2）对全部机理做数学分析，太复杂。

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比拟放大的基本方法：比拟放大的基本方法：首先必须找出表征此系统首先必须找出表征此系统

的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义

的无因次数，并建立它们之间的函数式，然后用的无因次数，并建立它们之间的函数式，然后用

实验的方法在试验设备里求得此函数式中所包含实验的方法在试验设备里求得此函数式中所包含

的常数和指数，则此关系式便可用作与此试验的常数和指数，则此关系式便可用作与此试验

设备几何相似的大型设备的设计。设备几何相似的大型设备的设计。

比拟放大不是简单的按比例放大，而是建立在几

何相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分

分散等基本假设之上的。放大与通气、搅拌等技

术构成了生化工程的核心部分。应用在微生物的

放大方面，则需要由小试放大到中试进行讨论，

这是生化工程的一个基本特征，生化工程不同于

一般的化学过程。

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化学工业中，每级放大在 50倍以下，而且每级放

大时需对前级参数进行修正。生物工业中，放大的

倍数有的高达200倍，如外国某公司用于单细胞蛋

白生产的 300m3反应器是从1.5m3反应器直接放

大得到的。一般生物反应器的放大倍数为 10。

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发酵是一复杂的过程，比拟放大不是简单的

比例放大。发酵设备的几何尺寸相似只不过是

相似的基本条件之一，尤其重要的还要求流体

的流态相似及传质、传热等，且与微生物的新

陈代谢反应有关系。

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一般放大依据有以下几项：

（ 1）氧传递速度相等；

（２）比较搅拌浆叶顶端速度；

（３）在通气培养时，比较单位液量所需要的的搅拌功率；

（４）混合时间相同；

（５）雷诺准数相等；

（６）通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致。

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前五项都是以化学工程学为基础的物理方法，

第六项是以控制环境条件调节所培养的微生物的

生理变化（细胞内代谢活性变化），以达到重复

所需产物生成过程的方法。掌握环境因子与细胞

内生理活性的相互关系是一个困难的课题；

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同时环境因子如何测定，使用什么反馈控制

系统等诸如此类有待解决的培养技术问题还很多。

这里仅把化学工程中沿用的放大方法作一介绍，

但即使从工程观点上放大问题得到了解决，也不

能认为大小发酵罐中微生物状态完全相同。

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（一）比拟放大的方法1、几何尺寸的放大根据几何相似的原则

D2/D1=Di2/Di1=(V2/V1)1/3

D------------- 反应器直径

Di------------- 搅拌器直径

V-------------- 反应器的装料容积

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2、通风量的放大

① 按单位体积液体通风量Q/V相等

大型反应器液柱高，空气在液体中所走的路程和

气液接触时间均长于小型反应器。因此大型反应

器的有较高的空气利用率，放大时大型反应器的

Q/V比小型设备的Q/V小。

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②② 按通风截面空气线速度按通风截面空气线速度 VVSS 相等放大相等放大

反应器空截面的空气线速度反应器空截面的空气线速度 VVss 的大小表征了液体的通的大小表征了液体的通

风强度。对于空气利用率较好的反应器，大罐的风强度。对于空气利用率较好的反应器，大罐的 VSVS 应应

适当大于小罐的。适当大于小罐的。

③③按通风准数相等放大按通风准数相等放大

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④按体积溶氧系数相等放大经过实验和有关准数的整理，可得通风量Q与溶氧系数kLa∝(Q/V)HL2/3kLa-------体积溶氧系数（1/h）Q--------- 通风量 (m3/min);V--------- 发酵液体积(m3)HL-------- 发酵液深度 (m)(kLa)2/(kLa)1=(Q/V)2/(Q/V)1.(HL2/HL1)2/3

(Q/V)2/(Q/V)1=(HL1/HL2)2/3=(D1/D2)2/3(VVM)2/(VVM)1=(D1/D2)2/3大罐单位体积需要的通风量要比小罐的小得多。

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3、搅拌功率放大

搅拌功率是影响溶氧最主要的因素，因而在机械

搅拌生化反应器中，搅拌功率的放大是整个放大

中最主要的内容。对于一定性质的液体，由于搅

拌功率的大小取决于搅拌转速 n和搅拌器直径Di，因此

搅拌功率的放大实际上是 n和Di的放大。若集合相似，

则Di一定，放大问题就只是选择搅拌转速 n的问题。

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① 按雷诺准数Re相等放大

n2/n1=(Di1/Di2)2=(D1/D2)2

在某些情况下可作为放大的依据

② 按单位体积液体消耗功率 P/V相等放大

P∝n3Di5 P/V ∝ n3Di2

若P/V相等，即 (n3Di2)1 = (n3Di2)2

n2/n1=(Di1/Di2)2/3=(D1/D2)2/3

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上述功率上述功率 PP 是不通气时的搅拌功率，它与通气情是不通气时的搅拌功率，它与通气情

况下的功率消耗是成比例的。况下的功率消耗是成比例的。

③③按体积溶氧系数相等放大按体积溶氧系数相等放大

溶氧系数是所有好气性发酵的主要指标，任何通溶氧系数是所有好气性发酵的主要指标，任何通

气发酵在一定条件下都有一个达到最大产率的溶气发酵在一定条件下都有一个达到最大产率的溶

氧系数，故维持大、小罐的溶氧系数相等进行放氧系数，故维持大、小罐的溶氧系数相等进行放

大是合理的大是合理的

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④按搅拌器末端线速度 nDi相等放大

如果在小型设备中搅拌器所产生的最大剪切力已

接近微生物的剪应极限，这时就必须按搅拌器末

端线速度相等来进行放大。

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⑤⑤按单位体积搅拌循环量按单位体积搅拌循环量 F/VF/V相等放大相等放大

对于连续发酵和在发酵过程中需要补料的分批发对于连续发酵和在发酵过程中需要补料的分批发

酵，要求整个反应器的液体快速均匀混合，使液酵，要求整个反应器的液体快速均匀混合，使液

体中产物和底物的浓度均匀一致，这时就必须按体中产物和底物的浓度均匀一致，这时就必须按

F/VF/V相等的原则进行放大。相等的原则进行放大。

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（二）机械搅拌发酵罐的比拟放大

1、放大依据准则的选择

根据具体情况正确选择放大依据

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２、溶氧系数相等以体积溶氧系数相等为基准的比拟放大方法体积溶氧系数（亚硫酸盐氧化值） kLa 主要步骤1）确定试验设备的主要参数，并试算 kLa值；2）按几何相似原则确定放大设备的主要尺寸；3）决定通风量；4 ）按溶氧系数相等的原则确定搅拌功率及转速。

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３、以单位体积发酵液消耗功率相等为基准的比拟放大步骤前 3步如前第四步 以 P/V相等计算功率和转速。

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生物反应器的比拟放大，到底以什么为基准呢？首先要从大量的试验材料中把握和找出影响生产过程的主要矛盾，在着重解决主要矛盾的同时，

不要使次要矛盾激化。例如，单纯按照 kLa相等

为准则放大的生物反应器，液体剪切力可能会上升到剪切敏感系统不可接受的程度，投入生产，就可使生产失败，必须注意不使这类情况出现，为此往往或多或少地牺牲几何相似的原则。