《发酵罐的比拟放大》PPT课件.ppt

第四章 发酵罐的比拟放大,小型和大型生物反应器设计的不同点,放大方法：经验放大法，因次分析法，时间常数法，数学模拟法， 放大原则：重点解决主要矛盾 气体传递、混合；剪切敏感性；热传递等。 放大所需解决的主要参数：罐体参数、空气流量、搅拌转速和搅拌功率消耗等,经验放大法： 几何相似放大 恒定等体积功率放大 单位培养液体积的空气流量相同原则放大 空气线速度相同原则放大 KLa/Kd值相同原则放大,因次分析法：保持无因次准数相等原则放大 Re，Nu，Da，Pez 时间常数法：某一变量与其变化速率之比 反应时间 tr = C/r r 反应速率 扩散时间 tD = L2 /Dz 混合时间 tm = Tm /n 数学模拟法：,放大基准,1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 ND 4、恒混合时间 tmHL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H d/N 液流循环量/液流速度压头,欧洲发酵工业中的放大准则,一、几何尺寸放大,几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A 放大倍数m=V2/V1 m=V2/V1=/4D22H2/ (/4D12H1)(D2/D1)3 D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3,二、空气流量放大,空气流量表示方法： （1）单位体积培养液在单位时间内通入的空气量（以标准状态计），即Q0/VL=VVM m3/(m3.min) （2）操作状态下的空气直线速度（g，m/h)）,两者的换算关系： P1V1/T1=P2V2/T2 QgP/ (273+t) = Q0(9.81104)/273 Qg= Q0 (273+t) (9.81104)/(273P) (m3/h) gQ0(60)(273+t)(9.81104)/(/4D2(273)P) 27465.6 Q0(273+t)/(PD2) 27465.6(VVM)(VL)(273+t)/(PD2) (m/h) (1) VVM= gPD2/27465.6 (VL)(273+t) (m3.m-3.min-1 ) (2),Q0= gPD2/27465.6 (273+t) (m3.min-1 ) 注：VL 发酵液体积(m3) P 液柱平均绝对压力(Pa) P=(Pt+9.81 104)+9.81/2HL HL发酵罐液柱高度(m) Pt 罐顶压力表所指示的读数(Pa),1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大 依据式（1）得g (VVM)VL/(PD2) g (VVM)D3/(PD2) (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(g)2/ (g)1 =D2/D1P1/P2 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM g PD2 /VL VVM g P/D 因为( g)2= ( g)1 所以(VVM)2/ (VVM)1= P2/P1D1/D2,3、以kLa值相同的原则放大 根据文献报导， kLa(Qg/VL)HL2/3，其中Qg为操作状态下的通气流量，VL为发酵液体积，HL为液柱高度。则 kLa2/kLa1= (Qg/VL)2(HL)22/3/(Qg/VL)1(HL)12/3=1 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (HL)12/3/ (HL)22/3=(D1/D2)2/3 因为QggD2， VD3 故(Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (g/D)2/ (g/D)1=(D1/D2)2/3 (g)2/ (g)1=(D2/D1)1/3 又因g (VVM)VL/(PD2) (VVM)D/P 故(VVM)2/(VVM)1=(D1/D2)2/3(P2/P1),若V2/V1=125，D2=5D1,P2=1.5P1，则用上述三种不同方法计算发酵罐放大后的通气量。,若V2/V1=125，D2=5D1,P2=1.5P1，则用上述三种不同方法计算放大后的通气量结果如下表。,4、以氧分压为推动力的体积溶氧系数kd相等原则放大 （1）福田修雄修正式 kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9 m：搅拌涡轮的个数 kd (Pg/V)0.56g0.7N0.7 （1）,（2）依据Michel修正式 P0=Np N3d5 V= /4D2 H Qg= /4D2g 所以 Pg/V (N3d5)2 Nd3/(D2g) 0.08 0.39/(D2H) 得Pg/V N2.73d2.01/g0.03，代入（1）式,得 kd (N2.73d2.01/g0.03)0.56g0.7N0.7 kd N2.23d1.13g0.68 ? 依据(kd)2= (kd)1 相等原则放大，则： N2/N1=(d1/d2)0.51(g)1/(g)20.30 P2/P1=(d2/d1)3.47(g)1/(g)20.9,例题4.1,枯草芽孢杆菌在100L罐中进行-淀粉酶生产试验，获得良好成绩。放大至20m3罐。此发酵醪接近牛顿型流体，其中悬浮固体与悬浮液总容积之比0.1，35时滤液 粘度0=1.5510-3Ns/m2。 醪液粘度（4.5）2.2510-3Ns/m2。 醪液密度1010kg/m3。 试验罐 D=375mm d=125mm D/d=3， H/D=2.4, HL/D=1.5 四块垂直挡板，B/D=0.1 装液60L，通气流率1.0VVM（罐内状态下的体积流率） 搅拌涡轮为两只园盘六弯叶涡轮，N=350r/min 通过试验，认为此菌株是高耗氧速率菌，体系对剪率较不敏感。试按等kd值进行比拟放大，并总结放大结果。,解：1 计算试验罐的亚硫酸盐氧化法kd值 ReM=Nd2/350/600.12521010/(2.2510-3) =4.14104 属充分湍流状态：Np=4.7 双涡轮搅拌器功率：P=2NpN3d5 =24.7(350/60)30.12551010=58.6W=0.0586KW Pg=2.2510-3(P2 N d3/Q0.08)0.39=2.2510- 3 (0.058235012.53/600000.08)0.39=0.033kW gQg/(/4D2)0.06/ (3.14/40.3752) =0.546 m/min=54.6 cm/min kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9 (2.36+3.302)(0.033/0.060)0.5654.60.7 3500.710-9=6.3810-6molml-1min-1atm-1(PO2),例题4.1,2.按几何相似原则确定20m3罐主尺寸 取H/D=2.4 , D/d=3, HL/ D =1.5 有效容积60%，若忽略封底的容积， /4D21.5D=200.6 D=2.16m， d=0.72m 采用两只园盘六弯叶涡轮,3.决定通气量 按几何相似原则放大设备，如果以VVM表示的通气流率相等，则放大罐的g比原型罐的g要显著增大 （g）2/ （g）1 =D2/D1P1/P2）。 过大的g将造成太多的泡沫和逃液，一般设计放大罐的g取值为150cm/min。 Q=/4D2g/100=/4(2.162)21.50=5.49m3/min VVM=5.49/12=0.46,4.按kd相等准则决定大罐的搅拌器转速及搅拌功率 依据福田修雄修正式： kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9 由于几何相似，Vd3 ，则 kd (Pg/d3)0.56g0.7N0.7 因Pg=2.2510-3(P2 N d3/Q0.08)0.39, P=2Np N3 d5 则Pg(N3 d5)2 N d3/Q0.080.39N2.73d5.07/Q0.0312 kd(N2.73d5.07/Q0.0312)/d30.56g0.7N0.7 N2.229d1.159g0.7/ Q0.0175 N2.229d1.159g0.7/ (d2 g)0.0175 N2.229d1.124g0.6825 依据kd相等原则，推出 N22.229d21.124g20.6825= N12.229d11.124g10.6825,则 N22.2290.721.1241500.6825 =3502.2290.1251.124 54.60.6825 N2=106 r/min P=2NpN3d5=24.7(106/60)30.7251010 =10129W=10.1kW Pg=2.25103(P2Nd3/Q0.08)0.39 =2.25103 (10.1210672354900000.08)0.39 Pg=7.73kW,将原型罐与放大罐的结果对照如下：,三、搅拌功率及搅拌转速的放大,1、以单位培养液体积所消耗的功率相等原则放大 此时，P2/V2= P1/V1 因为 PN3d5，VD3 d3 P/V N3d2 所以 (N3d2)2/ (N3d2)1=1 N2/N1=(d1/d2)2/3 P2/P1=(d2/d1)3,2、以单位体积培养液所消耗的通气功率相同原则放大 此时 Pg2/V2= Pg1/V1 因为PNp N3d5 N3d5， Qg0.785D2gd2g Michel修正式 Pg=2.25 10-3 (P2Nd3/Q0.08)0.39 Pg(N3d5)2Nd3/(d2g)0.080.39N2.73d5.01/g0.03 Pg/V N2.73d2.01/g0.03 故 N2/N1=(d1/d2)0.736(g)2/(g)10.01 P2/P1=(d2/d1)2.792(g)2/(g)10.03,例题4.2,按例4.1中的数据，用P/V相等为准则比拟放大。 解：因几何相似，Vd3， 由P=2Np N3 d5，推出P/VN3d2 依据P1/V1= P2/V2，则N2/N1=(d1/d2)2/3 N2=(0.125/0.72)2/3350109r/min P=2NpN3d5=24.7(109/60)30.7251010 =11013(W)=11kW,四、混合时间,混合时间：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。 FOX用因次分析法，当Re 105，得出以下关系式 Ft=tM(Nd2)2/3g1/6d1/2/（HL1/2D3/2）=常数,发酵罐放大,对几何相似的罐， (tM)2/( tM)1=(N1/N2)2/3(d1/d2)(4/3+1/2-1/2-3/2) = (N1 /N2)2/3(d2/d1)1/6 当P1/V1= P2/V2时， N2/N1=(d1/d2)2/3 ， (tM)2/ (tM)1=(d2/d1)4/9 (d2/d1)1/6 (d2/d1)11/18 发酵罐放大，混合时间延长！ 体积放大125倍，混合时间增大2.67倍。,五、周线速度,在P/V相等的条件下，d/D比越小，搅拌叶轮尖端线速度（dN）越大，剪切率也越大，混合时间tM急剧延长。 因为 P/VN3d5/D3 ， P2/V2= P1/V1 N23d25/D23 N13d15/D13 N2/N1=(d1/d2)5/3 D2/D1 (dN)2/ (dN)1= (d1/d2)2/3 D2/D1,(dN)2/ (dN)1= (d1/d2)2/3 D2/D1,若D2=D1,d2d1,则(dN)2/ (dN)1 1 若发酵罐体积放大(D2D1) ， d2/D2 d1/D1则 (dN)2/ (dN)1= (d1/D1)/(d2/D2)2/3 (D1/D2)2/3 (D2/D1) = (d1/D1)/(d2/D2)2/3 (D2/D1)1/3 (D2/D1)1/3 1,相同体积发酵罐,发酵罐体积放大,Ft=tM(Nd2)2/3g1/6d1/2/（HL1/2D3/2）=常数 (tM)2 /(tM)1 =(N1/N2)2/3(d1/d2)(4/3+1/2)(D2/D1)2 = (N1 /N2)2/3(d1/d2)11/6 (D2/D1)2 当P1/V1= P2/V2时， N2/N1=(d1/d2)5/3 D2/D1,(tM)2/ (tM)1= (d1/d2)13/18 (D2/D1)4/3 若D2=D1 ，则(tM)2/ (tM)1= (d1/d2)13/18 1 若发酵罐体积放大(D2D1) ，d2/D2 d1/D1则 (tM)2/ (tM)1= (d1/D1)/(d2/D2)13/18 (D1/D2)13/18(D2/D1)2 (D2/D1)23/18 1 发酵罐放大，混合时间延长！ 体积放大125倍，混合时间增大倍数大于2.67倍。 问题：过小的d/D比值，导致混合时间tM急剧延长，丝状菌受剪切率影响明显。,六、搅拌液流速度压头（H）、搅拌液流循环量(Q)以及Q/H比值对比拟放大的意义,搅拌液流速度压头(H)正比于涡轮周线速度的平方：H(Nd)2 H越大，液体的湍动程度越高，剪率越大，有利于菌丝团及气泡的分散，有利于传质。 搅拌液流 循环量Q正比于涡轮的旋转面积及周线速度： Q（Nd）(/4d2)Nd3 Q越大，液体的循环越快，有利于混合和缩短混合时间。 Qv = Q/V Nd3 /D N,增大N对提高溶氧更为有效，增大d对缩短混合时间更为有效。 当P1/V1= P2/V2时， N2/N1=(d1/d2)2/3 ， Q/Hd/N (Q/H)2/ (Q/H)1=(d2/d1) (d2/d1)2/3 =(d2/d1)5/3 Qv/H 1/(Nd2) (Qv/H)2/ (Qv/H)1=(d1/d2)2 (d2/d1)2/3 =(d1/d2)4/3,例题4.3,小型霉菌发酵试验罐。实验证明本体系为溶氧速率控制，对剪率敏感。 装液量 0.291 m3 罐直径D=0.57m，HL=1.14m 涡轮直径d=0.228m，转速377rmin 两只搅拌涡轮 剪率增加超过50%是危险的 要求将试验罐放大100倍,解 既然体系为溶氧速率控制，对剪率敏感。 故以PV相等为放大准则，同时把Qv/H及dN作为比较指标，保证剪率增大不粗过50，同时混合时间不过分增长。 小罐的主要特征： d1=0.228m，N1=377r/min,V1=0.291m3 (Qv/H)1=k1Nd3VL(Nd)2 =k10.228/(3770.291)=2.0810-3k1 (dN)1 =3.140.228377270m/min 按P/V相等放大至30m3，