第四章 发酵罐的比拟放大(生化工程)

第四章发酵罐的比拟放大一、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。一般采用相似原理进行比拟放大。二、比拟放大的基本方法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。三、比拟放大的基础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。四、比拟放大的倍数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。五、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（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。②按通风截面空气线速度Vs相等；放大反应器空截面的空气线速度Vs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Vs应适当大于小罐的。③按通风准数相等放大；④按体积溶氧系数相等放大。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)HL2/3kLa-------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。（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。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∝n3Di5P/V∝n3Di2若P/V相等，即(n3Di2)1=(n3Di2)2n2/n1=(Di1/Di2)2/3=(D1/D2)2/3上述功率P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。③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大是合理的。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。⑤按单位体积搅拌循环量F/V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F/V相等的原则进行放大。六、机械搅拌发酵罐的比拟放大放大依据准则的选择溶氧系数相等：单位体积发酵液消耗功率相等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）kd主要步骤：1）确定试验设备的主要参数，并试算kd值2）按集合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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。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。