第三章第四节--生物反应器的比拟放

第三章生物反应器第四节生物反应器的比拟放大一、生物反应器放大指实验室或中试反应设备所取得的实验数据为依据，设计制造大规模的反应系统，以进行工业规模生产的过程。解决“三传”维持生物细胞的生长速率代谢产物的生成速率二、生物反应器放大方法1、理论放大法发酵液是静止的或滞流的系统。2、半理论放大对动量方程进行简化，只考虑液流主体的流动。3、因次分析法放大动量、质量、热量衡算以无因次形式（称为准数）。4、经验法则放大。经验放大规则放大基本原理：罐的几何尺寸相似，放大生产用罐的特征参数与实验罐相同。三、通用式发酵罐的放大设计1）、好氧生物反应器放大的经验准则：1.以体积溶氧系数相等为基准的放大方法（kLa）体积传质（溶氧）系数KLа•KL：以液膜为基准的总传质系数。α：单位体积液体中，气泡的总表面积(m2/m3)；气泡气-液界面液膜气膜主体流细胞细胞-液相界面细胞周围液膜细胞内膜高好氧发酵应用KLa相等的原则进行反应器放大通常可获得良好结果。应用亚硫酸钠氧化法测定KLa值。2、以单位发酵液体积所消耗的功率为基准的放大方法（P/VL）。放大以不通气时单位体积发酵液所消耗的功率不变。不通气312123/22112233353,DDPPDiDinnDinVPDiDVDinPLL得：常数因此3.以搅拌器叶端速度相等为基准的方法搅拌器叶尖速度ω，它反应出液体的剪切速度。nDi2211DinDin4、以混合时间相等的准则进行放大混合时间是发酵罐几何尺寸、搅拌叶轮设计、操作条件以及发酵液流变特性的函数。对于大型发酵罐的设计此准则不合适，为什么？工业上通气发酵罐放大采用不同经验准则所占比例20维持培养液溶氧浓度不变30维持kLa不变20维持搅拌器叶端线速度不变30维持P/V不变所占比例％放大准则所占比例％放大准则二、比拟放大重点解决的内容（放大需要计算项目）•几何尺寸放大•空气流量放大•搅拌功率放大及搅拌转速放大1.几何尺寸放大模型罐（放大前罐）:V1、D1、H1放大生产罐：V2、D2、H2放大倍数：mmVV1231212DDVV313`1212mDVVDD312mHH两台设备的几何形状完全相似，在几何相似放大中，放大倍数实际上就是反应器体积增加的倍数。2.空气流量放大空气流量：1）（m3/m3·miｎ）（通常以标准状态给出）2）操作状态下空气的直线速度ωg，（或ωs）（m3/m2·hr）or（m/hr），）（通常以标准状态给出）。LgVVVVM/二种表示方法的换算min./)273(9.28369min/)273(9.28369)/()273(9.28369)273(9.2836910013.1273273785.060332322252mmtVPDVVMmtPDVghmPDtVVVMPDtVgPtDVgLggLgPDVVMPDVVVMPDVVVMgHppLgLt)()()(21100133.1225DPgVVM或：二、比拟放大重点解决的内容几何尺寸放大空气流量放大搅拌功率放大及搅拌转速放大求空气流量放大量的三种方法（1）以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大即21VVMVVMDPgVVM)()()()()()(211211122122PPDDPDVVMPDVVMgg（2）以空气直线流速相同原则放大即21ggPDVVMg)()()()/()/()()(122111122212PPDDDPgDPgVVMVVM（3）以KLа值相同原则放大（常用）21aKaKLL3/2)/(:LLLHVVgaK根据文献报道3/2213/223/2112)()()()/()/(DDHHVVgVVgLLLL则得：32,DVDVgg因为放大倍数。则：:)()(//)/()/(93/112123/221112212mmDDDDDDVVgVVgggggLL放大后压力:)()()()()(2123/22112211212PPPDDPPDDggVVMVVMPDVVMPDVVVMLg)(/)(2因为3.求搅拌功率放大及搅拌转速放大量1）以单位培养液体积所消耗功率相同原则放大，P/VL=常数312123/22112233353:,DDPPDiDinnDinVPPDiDVDinPLL得：常数因此搅拌功率（2）以单位培养液体积所消耗的通气功率相同原则放大，Pg/VL=常数Michel法21//LgLgVPVP代入gDiVDinPVDinPCPggg25345.056.032,252.0346.215.3gLgDinVP24.012765.2215123121208.012745.021121ggggDiDiPDiDinnPPDiDinn由3）以KLα相同放大时，功率和转速计算根据Kla计算所选择的关联式不同，功率和转速的公式也不同。7.07.056.08.2286.1nVPmaKgLgL7.07.056.0nVPaKgLgL252.0346.215.3gLgDinVP若为常数不变当所以：aKDinaKLgL56.032.145.2•则23.021533.02112)/()/(ggDiDinn681.02140.31212)/()/(ggDiDiPP967.021667.31212)/()/(ggDiDiPPgg51231212DiDinnPP由例题4－1有一试验罐装料体积650升，罐径为0.8m，HL1=1.36m，H/D=2,通气量1.2VVM（标准状态），发酵温度28℃，罐表压0.03Mpa，试验罐与生产罐封头几何相似，现放大125倍，求：生产罐主要外形尺寸、空气流量的放大到多少？•解：mmDD41258.03312mmHH812528.033123225.8112565.0mVL)(8.6536.1125312mHHLL＝＝＝paHpppaHppLtLt164000281.9100133.18.138000100036.1281.9)100133.11003.0(281.9100133.1252561511若按原则放大21VVMVVMPtDVVVMLg52100133.1273)273(785.060hrmmg23521/75138000100133.1273)28273(8.0785.0602.165.0hrmPPDDhrmggg/3151640001380008.0475:/315164000100133.1273282734785.0602.112565.0:211212522方法二方法一2若按放大21ggmin/29.0137.0164.048.02.1)()()()(33122112mmPPDDVVMVVM3若按放大21aKaKLLmin)/(5.0137.0164.048.02.1)()()()(333/2123/22112mmPPDDVVMVVMhrmmg23521/75138000100133.1273)28273(8.0785.06065.02.1hrmDDgg/2.12871.70997594758.04753/13/11212教材p71例3－3各种放大方法的比较***1.各种关键参数之间经常相互影响。2.用单一参数进行放大可能有片面性。3.采用（PV）1=（PV）2放大与实际经验较为吻合。4.应该用多尺度方法进行综合分析。第四节复习题1、生物反应器放大方法主要有哪些？答：理论放大法、半理论放大、因次分析法放大、经验法则放大。2、好氧生物反应器放大的经验准则有哪些？答：1、以体积溶氧系数相等为基准的放大方法（KLa）。2、以单位体积发酵液所消耗的功率为基准的方法。（Pg/V）3、以搅拌器叶端速度相等为基准的方法。4、以混合时间相等的准则进行放大。5、以氧的分压相等为基准的方法。6、以溶氧浓度相等为基准的方法。第一节通用式发酵罐结构第二节通气发酵罐搅拌功率的计算（重点）第三节其他类型发酵罐简介第四节生物反应器的放大设计