Хотя использование величины K_Lα в качестве критерия масштабного перехода наиболее обоснованно, в практике часто используют более простые критерии масштабного перехода, связанные с величиной KLa, но являющиеся, так сказать, его «суррогатами».

Такими критериями являются удельная мощность, фиктивная линейная скорость газа, удельный объемный расход воздуха.

Удельная мощность Nуд, расходуемая на перемешивание жидкости в аппарате, равна:
N_уд = N/V. (11.4)

Мы видим, что величина N/V входит в формулу (11.3) для определения K_Lα, хотя в формуле есть и другие члены. Отсюда вытекает, что масштабирование по удельной мощности перемешивания оказывается удачным для аппаратов, не слишком различающихся своей конструкцией и масштабом. Поскольку измерение или расчет удельной мощности выполнить просто, этот показатель довольно популярен. Однако из формулы (11.3) видно, что он очень уязвим из-за пренебрежения интенсивностью аэрации: получается, что удельная мощность может быть реализована даже без аэрации, только перемешиванием; величина же K_Lα при этом падает очень сильно. Конечно, это крайний случай, никто не предполагает отключения аэрации. Но пренебрежение ее величиной и различными значениями коэффициентов α и δ в формуле приводит к изменению связи K_Lα и N_уд и к неправильному масштабированию.

Фиктивная линейная скорость газа, также присутствующая в приведенной выше формуле для расчета KLα, равна:
F_S = F_B/S. (11.5)

По поводу этого параметра можно высказать те же предостережения, что и по величине N_уд. Здесь получается, что K_Lα, наоборот, не зависит от того, производится ли механическое перемешивание.

Удельный объемный расход воздуха равен:
F_уд = FB/V, (11.6)
где V – объем жидкости в аппарате.

Здесь в прямом виде реализуется метод Джонатана Свифта («метод Гулливера»). В некоторых формулах для K_Lα используют F_уд вместо F_S. Но ограничения для использования F_уд вместо K_Lα те же.

Движущая сила массообмена по кислороду. Когда мы рассматривали формулу для определения концентрации растворенного кислорода (11.2), я намеренно не акцентировал внимание на равновесной концентрации кислорода при насыщении С*, приняв эту величину одинаковой для любых масштабируемых аппаратов.

Реально же в производственных аппаратах величина Cc зависит от давления в аппарате P и гидростатического давления столба жидкости в нем Hρg.

Тогда равновесная концентрация кислорода в производственном аппарате C^*_пр будет отличаться от С^*_л в лабораторном аппарате, даже если равны давления над зеркалом жидкости. Связь между ними имеет вид
 (11.7)
где P_пp и P_л – давление над зеркалом жидкости в производственном и лабораторном аппаратах соответственно; H – высота слоя жидкости в производственном аппарате; p – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.

В этой формуле принято, что среднее давление P_пp в производственном аппарате больше давления в лабораторном аппарате Pn на величину давления половины высоты гидростатического столба жидкости в нижней точке аппарата.

Таким образом, для выравнивания условий по массопередаче кислорода в лабораторном аппарате необходимо поддерживать давление в нем P_л в соответствии с зависимостью
Pл = Pпp + Hpg/2. (11.8)

Концентрация растворенного диоксида углерода. В некоторых процессах ферментации на результат процесса влияет не только кислород, но и растворенный диоксид углерода. Теоретически необходимой скорости массопередачи кислорода Q_О2 можно достичь, сильно увеличив перемешивание и подняв давление в аппарате. При этом можно значительно уменьшить расход воздуха. Так иногда поступают, чтобы уменьшить пенообразование, которое сильно зависит от расхода подаваемого воздуха. В этом случае, однако, сильно возрастет концентрация СО₂ в выходящем газе, а с ней и концентрация растворенного диоксида углерода, который может ингибировать процесс. Для некоторых процессов известны критические значения концентрации СО₂ в газе (C^г_CO2) и в жидкости (C^ж_CO2), выше которых наблюдается ингибирование процесса ферментации. Для таких процессов при масштабировании необходимо учитывать ограничение по концентрации CO₂. Если известна интенсивность дыхания на единицу объема Q^г_CO2 и на весь объем аппарата G^г_CO2.
G_CO2 = VQ _CO2 (11-9)

то концентрацию CO₂ в выходящем газе C^r_CO2 можно определить по формуле
C^г_CO2 = Q _CO2V/F_B (11.10)
где F_B – общий объемный расход воздуха через аппарат.

Поскольку для таких процессов должно соблюдаться соотношение
C^г_CO2 ≤ C^г_CO2 кр, (11.11)

отсюда можно получить ограничение для расхода воздуха:
F_B ≥ Q^г_CO2maxV/C^г_CO2кр, (11.12)

где Q_CO2max – максимальная интенсивность дыхания в процессе ферментации; C^г_CO2кр – критическое значение концентрации СО₂ в выходящем из ферментера воздухе.

Ограничение (11.12) показывает, что в процессах, где есть ингибирование роста и развития культуры повышенными концентрациями диоксида углерода, нельзя снижать расход воздуха до сколь угодно малого значения.

Механическое воздействие мешалки на клетки. Усилия сдвига, действующие у краев мешалки, отбойников, могут механически воздействовать на клетки микроорганизмов, вызывая их разрушение. Различные клетки по-разному реагируют на одно и то же воздействие. Бактерии, имеющие небольшие размеры (0,5 ... 1 мкм), практически нечувствительны к механическим воздействиям. Более чувствительны мицелиальные микроорганизмы и в особенности растительные и животные клетки, для которых перемешивание должно быть особенно мягким.

Экспериментально оценить механическое воздействие перемешивающих устройств разного типа на микробные клетки довольно трудно. На практике обычно проводят экспозицию исследуемой культуры клеток в течение определенного времени в изучаемом аппарате, затем отбирают пробу жидкости и осуществляют прямой рассев ее на агаризованные среды, где определяют содержание живых клеток по сравнению с контролем.

Более быстрым способом является определение изменения оптической плотности жидкости при длине волны 260 нм за время перемешивания в аппарате (ΔΕ₂₆₀)· Это изменение показывает степень выхода в раствор содержимого клетки.

Такой способ, однако, трудно применить в аппарате большого размера.

Практически для оценки механического воздействия на клетки используют показатель, называемый окружной скоростью мешалки νΆ:

v_л = πnd_М, (11.13)

где n – частота (угловая скорость) вращения мешалки, об/с; d_M – диаметр мешалки, м.

Обычно окружная скорость мешалки составляет 3–6 м/с. Превышение величины 8 м/с приводит к явлениям кавитации и воздействию на микробные клетки. Для мицелиальных, растительных и животных клеток ограничения по скорости могут быть еще больше: они индивидуальны для разных клеток и могут достигать 0,5 м/с. В аппаратах, предназначаемых специально для культивирования животных клеток, используют весьма низкие окружные скорости мешалок и к тому же стараются создавать рабочие органы мешалок с обтекаемыми поверхностями без острых кромок.

Масштабирование «снизу вверх» и «сверху вниз». Обычно осуществляют масштабирование «снизу вверх». Результат, полученный в лабораторных условиях, переносят на аппарат большего размера, стараясь воспроизвести в этом аппарате все те критерии, которые выбраны для масштабирования. В мировой литературе такое масштабирование обозначают термином «Scale-up».

Это не всегда приводит к успешным результатам, поскольку обычно в промышленном аппарате невозможно создать условия гидродинамики и массопередачи, идентичные условиям в аппаратах малого масштаба.

При этом рекорды производительности, полученные в колбах, оказываются нереалистичными и служат только для победных отчетов научных работников перед производством.

Более реально использовать масштабирование «сверху вниз» («Scale-down»).

При этом сразу ориентируются на те промышленные аппараты, которые есть в производстве. Эти аппараты изучают с учетом массообменных характеристик и других критериев масштабирования и уже лабораторные условия подгоняют под критерии, имеющиеся в производственных аппаратах.

Соответственно и в колбах процесс изучают сразу при нужном значении KLa (т. е. при определенном объеме среды). И хотя на такой установке обычно результаты хуже по технико-экономическим показателям, чем можно было бы получить, стремясь выжать максимум из лабораторного оборудования, все же так работать выгоднее, поскольку менее вероятно возникновение трудностей при переходе на промышленное оборудование.

Полученные результаты без большого труда переносятся на промышленные аппараты. Конечные показатели технологического процесса в производстве при этом не хуже, а часто и лучше, чем при масштабировании типа «Scale-up».