第五章生化反应器的比拟放大 ppt课件

第 5章 生物反应器的比拟放大 在实验室里用小型设备进行科学实验， 获得了高的产量和效率， 如何在大型的 生产规模设备里予以重现 ，也就是大型 设备的几何尺寸、功率、空气流量、搅 拌转数都是怎样的才能 再现小型设备里 的好结果？ 这就是比拟放大要解决的问题。 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 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 程，影响过程的参数和因素也较多。一般 说来， 菌种的接入方式、菌龄、接种量、 培养基组成、加料方式、 pH值、操作温度 、罐压、溶氧速率、搅拌混合强度 等因素 ， 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 止这些， 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 控制，有一些则还未被认识 。 在现有科学技术水平上，还 没有条件对所 有因素的影响进行综合全面的考虑和综合分 析，而只能选择其中最关键、最重要的参数 进行考虑 。这些参数有 功率消耗 、 溶氧系数 、桨尖速度 等。 但 遗憾 的是到今天为止，尚未得出一个 十分有效准确的 放大关联式 ，所以生物反应 罐的 放大技术还处于经验和半经验状态 。本 章讨论的放大是指在模型罐和生产罐之间以 几何相似原则 为前提。在生物反应罐放大中 ，主要解决放大后生产罐的 空气流动、搅拌 转速和搅拌功率消耗 等问题上。 本章重点讨论机械搅拌罐反应器的放大问题。 5. 1 几何尺寸放大 在反应罐的放大中，放大倍数实际上就是 罐的 体积增加倍数 。 放大倍数 m=V放大 /V模型 一般要 保持几何相似 的原则，那么 H1/D1=H2/D2=A(常数 ) V2/V1=(D2/D1)3=m D2/D1=m1/3 (H2/H1)3=m H2/H1= m1/3 5.2 空气流量放大 生物反应中空气流量一般 有两种表示方法 ： 1以单位培养液体积在单位时间内通入 的空气量 VVM（标准状态）来表示 （ m3/ m3 h） 2 以操作状态下的空气直线速度 Vs表示， m/min 两种空气流量表示方式可以换算。 下标 0为标准状态 ,下标 1为操作状态。 V1 = D2Vs1 ， V0 =（ VVM） VL VL ： 反应液体积 T0 =273 T1 =273+t P0 = 9.81104Pa P1 =PL (液柱平均绝对压力 ) 根据气体定律： P0V0/T0=P1V1/T1 4 标准状态操作状态 整理出 : (VVM)= (VVM) Vs1 PLD2 27465.6 VL(273+t) m3/ m3 min 标准状态 下面讨论 三种空气流量的放大方法 : (1)以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大： (vvm)1=(vvm)2 Vs (vvm)VL/PD2 (vvm)D/P Vs1 PLD2 VL Vs2 Vs1 = D2 D1 P1 P2 ,Vs2 可求 (2)以 空气直线流速 相同的原则放大 : VS1=VS2 (VVM) 2 (VVM) 1 = P 2 P 1 D 2 D 1( ) 2 VL1 VL2 = P 2P 1 D 1 D 2 (VVM) 2可求 。 因为 V2/V1=(D2/D1)3 （ 3）以 KLa 值相同的原则放大 Kd=(2.36+3.30Ni) (Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9 式中有 Pg、 N等 未定参数 。 可考虑用 其它经验式，如 Kla （ ） （ HL） 2/3 最后推导出： Q VL （ VVM） 2 （ VVM） 1 = （ ） 2/3 D 1D 2 P 2 P 1 用不同的放大原则放大反应器的结果是 不同的 。举例如下： 若 V2/V1=125, D2=5D1,P2=1.5P1,则用上述 三种不同放大方法计算出来的空气量如 表所示 ： 放大 125倍时，不同放大判据的 vvm和 Vs值 放大判据 VVm Vs值 放大前 放大后 放大前 放大后 VVm相同 1 1 1 3.33 Vs相同 1 0.3 1 1 KLa相同 1 0.513 1 1.71 若 以 VVm 相同原则放大 ，放大 125倍后， Vs增加了 3.33倍，因 气速太大，跑料可能严重，还容易使搅拌 器处于被空气所包围的状态 ，不能加强气液接触和搅 拌液体的作用。若 以 Vs相同方法进行放大 ， 则 VVm值 在放大后仅为放大前的 30%。此值又过低。 因此 人们认 为以 KLa相同原则放大，其合理性大，放大后的 VVm和 Vs 值比较适合。 放大判据 VVm Vs值 放大前 放大后 放大前 放大后 VVm相同 1 1 1 3.33 Vs相同 1 0.3 1 1 KLa相同 1 0.513 1 1.71 放大 125倍时，不同放大判据的 vvm和 Vs值 5.3 搅拌功率及搅拌转数的放大 搅拌功率以及搅拌转数放大的方法很多，用于 发酵罐的 三种放大方法如下： （ 1）以 单位体积培养液所消耗的功率相同 原则 放大 (Po/V)1=(Po/V)2 Rem=104-106 ,Np 不变 功率准数： Np=Po/(N 3D5) PoN 3D5 VD 3 因此 Po/VN 3D2 ， ( N3D2) 1 = ( N3D2) 2 确定转数 N2=N1(D1/D2)2/3 （ P0） 2 / （ P0） 1 =(N2/N1)3(D2/D1)5 下标 1是模型罐，下标 2是放大罐。 （ 2）以单位培养液体积所消耗的通气功 率相同原则放大 此时 (Pg/V)1=(Pg/V)2 Po=NpN 3D5 Np:功率准数 Rem 104 时 Np趋于常量 PoN 3D5 根据 Michel 计算 Pg的公式 Pg=C(Po2ND 3/Q0.56)0.45 Pg (N3D5)2 ND3/(D2Vs)0.560.45 N3.15D5.346/Vs0.252 Pg/V= N3.15D2.346/Vs0.252 N2/N1=(D1/D2)0.745Vs2/Vs10.08 Pg2/Pg1= (N2/N1)3(D2/D1)5=(D2/D1)2.756Vs2/Vs10.24 下标 1为模型罐，下标 2为放大罐 （ 3）以体积传质系数 KLa相等的原则放大 由于气液接触过程中，传质系数的 关联式较多 ，以 福田秀雄的关联式为放大基准 Kd=(2.36+3.30Ni) (Pg/V)0.56*Vs0.7*N0.7*10-9 KLa (Pg/V) 0 . 56Vs0.7N0.7 因 Pg/V N3.15 D2.346 / Vs0.252 KLa N2.45 Vs0 . 56 D1.32 按 (KLa)2 =(KLa)1 原则 N2 = N1 Vs1/(Vs)20.23 (D1/D2)0.533 (pg)2 =(pg)1Vs2/(Vs)10.067(D2/D1)3.667 除上述放大原则以外，还有两个原则需要考 虑： （ 4）以恒定搅拌叶轮尖端线速度作为放大 原则（或者作为校正原则） 丝状菌 受剪率 ，特别是搅拌叶轮尖端线 速度 的影响较为明显 。如果仅仅保持 KLa相 等或者 Po/V相等， 可能导致严重的失误 。一 般认为搅拌桨叶端速度的 合适范围 为 250500cm/s （ 5）以恒定混合时间作为放大或者校正基准 混合时间的定义是 把少许具有与搅拌罐内的 液体相同物性的液体注入搅拌罐内 ，两者达 到 分子水平的均匀混合所需要的时间 。 低粘度的液体 在小搅拌罐内的混合时间很短 。 罐越大混合时间就越长 。 实际上 按等混合时间放大是很难做到的 。因 为要做到这一点 ，放大罐的涡轮转速要比小 罐提高很多。但作为一个 校核指标 ，对某些 体系确实必要。 例如 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 时间可能长达数分钟，反应器内 出现较大的 浓度梯度 ，这必然会影响宏观反应动力学， 可能 导致反应速率下降 。 恒混合时间 指大罐的混合时间不要比小罐长 太多。 降低混合时间较合理的措施是 增加进液点 。 例如 ICI公司用 1500 m3的 气升内环流反应器，以甲 醇为原料连续生产 SCP ， 为了解决甲醇浓度的分布 问题 ，在全反应器中采用 了 多达到 3千只进甲醇的 喷嘴 ，使得 稳态发酵液中 的甲醇浓度保持为 2ppm。 解除了甲醇对生产菌株的 生长抑制。 需要指出的是 各种放大方法各强调一个侧重 点，得出的结论往往有较大的差异 。下表列 出的是由 10L 小罐（ N=500r/min， 通气 1VVm ） 放大到 10000L（ 放大 1000倍）时，按照 不 同的放大准则所得出的结论 ，并以搅拌转速 来进行比较。 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 按照不同准则放大，结果是放大后的反 应器操作条件不一样 ，这说明 放大中选 用什么准则是最重要的 ，这要根据放大