第五章 生化反应器的比拟放大精选文档.ppt

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1、第五章生化反应器的比拟放大本讲稿第一页，共二十三页 生物反应器的比拟放大是生物工程中生物反应器的比拟放大是生物工程中一个重要课题。比拟放大法在化学工业和一个重要课题。比拟放大法在化学工业和生物产业已经获得很多成功的例子，相对生物产业已经获得很多成功的例子，相对而言，生物反应过程复杂性远大于化工过而言，生物反应过程复杂性远大于化工过程，影响过程的参数和因素也较多。一般程，影响过程的参数和因素也较多。一般说来，说来，菌种的接入方式、菌龄、接种量、菌种的接入方式、菌龄、接种量、培养基组成、加料方式、培养基组成、加料方式、pHpH值、操作温度、值、操作温度、罐压、溶氧速率、搅拌混合强度罐压、溶氧速率、

2、搅拌混合强度等因素，等因素，都不同程度地影响细胞的反应过程都不同程度地影响细胞的反应过程。而实际影响生物过程的因素还远远不而实际影响生物过程的因素还远远不止这些，止这些，其中有一些虽已被认识，但目前其中有一些虽已被认识，但目前的科学实验水平尚还不能对它进行测量和的科学实验水平尚还不能对它进行测量和控制，有一些则还未被认识控制，有一些则还未被认识。本讲稿第二页，共二十三页在在现现有有科科学学技技术术水水平平上上，还还没没有有条条件件对对所所有有因因素素的的影影响响进进行行综综合合全全面面的的考考虑虑和和综综合合分分析析，而而只只能能选选择择其其中中最最关关键键、最最重重要要的的参参数数进进行行考

3、考虑虑。这这些些参参数数有有功功率率消消耗耗、溶溶氧氧系系数数、桨尖速度桨尖速度等。等。但但遗遗憾憾的的是是到到今今天天为为止止，尚尚未未得得出出一一个个十十分分有有效效准准确确的的放放大大关关联联式式，所所以以生生物物反反应应罐罐的的放放大大技技术术还还处处于于经经验验和和半半经经验验状状态态。本本章章讨讨论论的的放放大大是是指指在在模模型型罐罐和和生生产产罐罐之之间间以以几几何何相相似似原原则则为为前前提提。在在生生物物反反应应罐罐放放大大中中，主主要要解解决决放放大大后后生生产产罐罐的的空空气气流流动动、搅搅拌拌转转速和搅拌功率消耗速和搅拌功率消耗等问题上。等问题上。本章重点讨论机械搅拌

4、罐反应器的放大问题。本章重点讨论机械搅拌罐反应器的放大问题。本讲稿第三页，共二十三页5.1 5.1 几何尺寸放大几何尺寸放大在在反反应应罐罐的的放放大大中中，放放大大倍倍数数实实际际上上就就是是罐的罐的体积增加倍数体积增加倍数。放大倍数放大倍数m=V放大放大/V模型模型一一 般般 要要 保保 持持 几几 何何 相相 似似 的的 原原 则则，那那 么么 H1/D1=H2/D2=A(常数常数)V V2 2/V/V1 1=(D=(D2 2/D/D1 1)3 3=m=mD2/D1=m1/3(H2/H1)3=mH2/H1=m1/3本讲稿第四页，共二十三页5.2 5.2 空气流量放大空气流量放大生物反应中

5、空气流量一般生物反应中空气流量一般有两种表示方法有两种表示方法：1 1以以单单位位培培养养液液体体积积在在单单位位时时间间内内通通入入的的空气量空气量VVMVVM（标准状态）来表示（标准状态）来表示 （m m3 3/m/m3 3 h h）2 2以以操操作作状状态态下下的的空空气气直直线线速速度度VsVs表表示示，m/minm/min两种空气流量表示方式可以换算。两种空气流量表示方式可以换算。本讲稿第五页，共二十三页下标下标0 0为标准状态为标准状态 ,下标下标1 1为操作状态。为操作状态。V1=D2Vs1，V0=（VVM）VLVL：反应液体积反应液体积T0=273T1=273+tP0=9.81

6、104PaP1=PL(液柱平均绝对压力液柱平均绝对压力)根据气体定律：根据气体定律：P P0 0V V0 0/T/T0 0=P=P1 1V V1 1/T/T1 14标准状态标准状态操作状态操作状态本讲稿第六页，共二十三页整理出整理出:(VVM)=(VVMVVM)Vs1PLD227465.6VL(273+t)m m3 3/m/m3 3 minmin标准状态标准状态下面讨论下面讨论三种空气流量的放大方法三种空气流量的放大方法:(1)(1)以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大：以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大：(vvm)1=(vvm)2Vs(vvm)VL/PD2(vvm)D/PV Vs1

7、 s1 P PL LD D2 2V VL LVs2Vs1=D2D1P1P2,V Vs2s2可求可求本讲稿第七页，共二十三页(2)(2)以以空气直线流速空气直线流速相同的原则放大相同的原则放大:VS1=VS2(VVM)2(VVM)1=P2P1D2D1()2VL1VL2=P2P1D1D2(VVM)VVM)2 2可求可求。因为因为V2/V1=(D2/D1)V2/V1=(D2/D1)3 3本讲稿第八页，共二十三页（3 3）以）以 K KLaLa 值相同的原则放大值相同的原则放大Kd=(2.36+3.30Ni)(Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9式中有式中有PgPg、N N等等未定参数未定参数

8、。可考虑用可考虑用其它经验式，如其它经验式，如Kla（）（HL）2/32/3 最后推导出：最后推导出：QVL（VVM）2（VVM）1=（）2/32/3 D1D2P2P1本讲稿第九页，共二十三页用不同的放大原则放大反应器的结果是用不同的放大原则放大反应器的结果是不同的不同的。举例如下：。举例如下：若若V V2 2/V/V1 1=125,=125,D D2 2=5D=5D1 1,P,P2 2=1.5P=1.5P1 1,则则用用上上述述三三种种不不同同放放大大方方法法计计算算出出来来的的空空气气量量如如表所示表所示：放大放大125125倍时，不同放大判据的倍时，不同放大判据的vvmvvm和和VsVs

9、值值放大判据VVmVs值放大前放大后放大前放大后VVm相同1113.33Vs相同10.311KLa相同10.51311.71本讲稿第十页，共二十三页若若以以VVVVm m 相相同同原原则则放放大大，放放大大125125倍倍后后，VsVs增增加加了了 3.333.33倍倍，因因气气速速太太大大，跑跑料料可可能能严严重重，还还容容易易使使搅搅拌拌器器处处于于被被空空气气所所包包围围的的状状态态，不不能能加加强强气气液液接接触触和和搅搅拌拌液液体体的的作作用用。若若以以VsVs相相同同方方法法进进行行放放大大 ，则则VVmVVm值值在在放放大大后后仅仅为为放放大大前前的的30%30%。此此值值又又过

10、过低低。因因此此人人们们认认为为以以K KLaLa相相同同原原则则放放大大，其其合合理理性性大大，放大后的放大后的VVmVVm和和VsVs值比较适合。值比较适合。放大判据VVmVs值放大前放大后放大前放大后VVm相同1113.33Vs相同10.311KLa相同10.51311.71放大放大125125倍时，不同放大判据的倍时，不同放大判据的vvmvvm和和VsVs值值本讲稿第十一页，共二十三页5 5.3.3 搅拌功率及搅拌转数的放大搅拌功率及搅拌转数的放大搅搅拌拌功功率率以以及及搅搅拌拌转转数数放放大大的的方方法法很很多多，用用于于发发酵酵罐罐的的三三种种放大方法如下：放大方法如下：（1 1）

11、以以单单位位体体积积培培养养液液所所消消耗耗的的功功率率相相同同原原则则放大放大(Po/V)(Po/V)1 1=(Po/V)=(Po/V)2 2 Rem=10 Rem=104 4-10-106 6,Np ,Np 不变不变功率准数：功率准数：Np=Po/(NNp=Po/(N3 3D D5 5)PoNPoN3 3D D5 5VDVD3 3因此因此 Po/VNPo/VN3 3D D2 2 ，(N N3 3D D2 2)1 1 =(=(N N3 3D D2 2)2 2 确定转数确定转数 N N2 2=N=N1 1(D(D1 1/D/D2 2)2/3 2/3 （P P0 0）2 2/（P P0 0）1

12、1=(N=(N2 2/N/N1 1)3 3(D(D2 2/D/D1 1)5 5 下标下标1 1是模型罐，下标是模型罐，下标2 2是放大罐。是放大罐。本讲稿第十二页，共二十三页（2 2）以单位培养液体积所消耗的通气功）以单位培养液体积所消耗的通气功率相同原则放大率相同原则放大此时此时 (Pg/V)(Pg/V)1 1=(Pg/V)=(Pg/V)2 2 Po=NpN Po=NpN3 3D D5 5Np:Np:功率准数功率准数 Rem 10Rem 104 4 时时NpNp趋于常量趋于常量 PoNPoN3 3D D5 5根据根据Michel Michel 计算计算 PgPg的公式的公式Pg=C(PPg=

13、C(Po o2 2NDND3 3/Q/Q0.560.56)0.450.45本讲稿第十三页，共二十三页Pg(N3D5)2ND3/(D2Vs)0.560.45N3.15D5.346/Vs0.252Pg/V=N3.15D2.346/Vs0.252N2/N1=(D1/D2)0.745Vs2/Vs10.08Pg2/Pg1=(N2/N1)3(D2/D1)5=(D2/D1)2.756Vs2/Vs10.24下标下标1 1为模型罐，下标为模型罐，下标2 2为放大罐为放大罐本讲稿第十四页，共二十三页（3）以体积传质系数）以体积传质系数KLa相等的原则放大相等的原则放大由由于于气气液液接接触触过过程程中中，传传质质

14、系系数数的的关关联联式式较较多多，以以福福田田秀秀雄的关联式为放大基准雄的关联式为放大基准Kd=(2.36+3.30Ni)(Pg/V)0.56*Vs0.7*N0.7*10-9KLa(Pg/V)0.56Vs0.7N0.7因因Pg/VN3.15D2.346/Vs0.252KLaN2.45Vs0.56D1.32按按(KLa)2=(KLa)1原则原则N2=N1Vs1/(Vs)20.23(D1/D2)0.533(pg)2=(pg)1Vs2/(Vs)10.067(D2/D1)3.667本讲稿第十五页，共二十三页除除上上述述放放大大原原则则以以外外，还还有有两两个个原原则则需需要要考考虑：虑：（4 4）以以

15、恒恒定定搅搅拌拌叶叶轮轮尖尖端端线线速速度度作作为为放放大大原则（或者作为校正原则）原则（或者作为校正原则）丝丝状状菌菌受受剪剪率率，特特别别是是搅搅拌拌叶叶轮轮尖尖端端线线速速度度的的影影响响较较为为明明显显。如如果果仅仅仅仅保保持持K KLaLa相相等等或或者者Po/VPo/V相相等等，可可能能导导致致严严重重的的失失误误。一一般般认认 为为 搅搅 拌拌 桨桨 叶叶 端端 速速 度度 的的 合合 适适 范范 围围 为为250500cm/s250500cm/s本讲稿第十六页，共二十三页（5 5）以恒定混合时间作为放大或者校正基准）以恒定混合时间作为放大或者校正基准混混合合时时间间的的定定义义

16、是是把把少少许许具具有有与与搅搅拌拌罐罐内内的的液液体体相相同同物物性性的的液液体体注注入入搅搅拌拌罐罐内内，两两者者达达到到分子水平的均匀混合所需要的时间分子水平的均匀混合所需要的时间。低低粘粘度度的的液液体体在在小小搅搅拌拌罐罐内内的的混混合合时时间间很很短短。罐越大混合时间就越长罐越大混合时间就越长。实实际际上上按按等等混混合合时时间间放放大大是是很很难难做做到到的的。因因为为要要做做到到这这一一点点 ，放放大大罐罐的的涡涡轮轮转转速速要要比比小小罐罐提提高高很很多多。但但作作为为一一个个校校核核指指标标，对对某某些些体系确实必要。体系确实必要。本讲稿第十七页，共二十三页例如例如在一个大

17、型的分批反应罐里，采用浓的在一个大型的分批反应罐里，采用浓的基质流加培养，如果只有单点流加，则混合基质流加培养，如果只有单点流加，则混合时间可能长达数分钟，反应器内时间可能长达数分钟，反应器内出现较大的出现较大的浓度梯度浓度梯度，这必然会影响宏观反应动力学，这必然会影响宏观反应动力学，可能可能导致反应速率下降导致反应速率下降。恒恒混混合合时时间间指指大大罐罐的的混混合合时时间间不不要要比比小小罐罐长长太多。太多。降低混合时间较合理的措施是降低混合时间较合理的措施是增加进液点增加进液点。本讲稿第十八页，共二十三页例如例如ICIICI公司用公司用1500 m1500 m3 3的的气升内环流反应器，

18、以甲气升内环流反应器，以甲醇为原料连续生产醇为原料连续生产SCP SCP，为了解决甲醇浓度的分布为了解决甲醇浓度的分布问题问题，在全反应器中采用，在全反应器中采用了了多达到多达到3 3千只进甲醇的喷千只进甲醇的喷嘴嘴，使得，使得稳态发酵液中的稳态发酵液中的甲醇浓度保持为甲醇浓度保持为2ppm2ppm。解。解除了甲醇对生产菌株的生除了甲醇对生产菌株的生长抑制。长抑制。本讲稿第十九页，共二十三页本讲稿第二十页，共二十三页需需要要指指出出的的是是各各种种放放大大方方法法各各强强调调一一个个侧侧重重点点，得得出出的的结结论论往往往往有有较较大大的的差差异异。下下表表列列出出 的的 是是 由由 10L

19、10L 小小 罐罐（N=500r/minN=500r/min，通通 气气1VVm1VVm）放放大大到到10000L10000L（放放大大10001000倍倍）时时，按按照照不不同同的的放放大大准准则则所所得得出出的的结结论论，并并以以搅搅拌拌转速来进行比较。转速来进行比较。放大方法的比较放大方法的比较 方法放大后转数，r/min方法放大后转数，r/min等体积功率等传质系数79非通气Po/V相等107等叶端速度50通气Pg/V相等85等混合时间1260本讲稿第二十一页，共二十三页按按照照不不同同准准则则放放大大，结结果果是是放放大大后后的的反反应应器器操操作作条条件件不不一一样样，这这说说明明

20、放放大大中中选选用用什什么么准准则则是是最最重重要要的的，这这要要根根据据放放大大体系的特点而确定。体系的特点而确定。一一般般工工业业发发酵酵罐罐放放大大过过程程中中以以Pg/VPg/V为为准准则放大采用的较多。则放大采用的较多。放大方法的比较放大方法的比较方法放大后转数，r/min方法放大后转数，r/min等体积功率等传质系数79非通气Po/V相等107等叶端速度50通气Pg/V相等85等混合时间1260本讲稿第二十二页，共二十三页复习题复习题1 1、反应器比拟放大的重要性？、反应器比拟放大的重要性？2 2、空气流量放大有那些方法？、空气流量放大有那些方法？3 3、搅拌功率及搅拌转数放大有那些方法？、搅拌功率及搅拌转数放大有那些方法？本讲稿第二十三页，共二十三页