生物化学工程基础（李强）2013－09- 搅拌与通气.ppt

李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室 生物化学工程基础BiochemicalEngineering 生物化学工程基础BiochemicalEngineering 李强 化工系生化所抗体与生物催化工程实验室 2 1 为什么要研究反应器放大 反应器放大是生产规模的需要小的反应器 放大到大的反应器 会出现很多问题传质问题 传热问题 混合问题 设备问题反应器放大是科学技术从实验室推向产业化的必经之路实验室规模 中试规模 生产规模 3 生物反应过程的研发包括三个不同规模的阶段1利用实验规模的反应器进行种子筛选 发酵反应动力学和工艺条件的确定实验 2在中间规模的反应器上确定最佳的操作条件 验证和改进小试的结果 中试 3在大型生产设备中投入生产 产业化 4 生物化学工程师的任务就是 要力求保持不同规模中的生物反应有最佳的外部条件 这些外部条件包括化学的 如基质浓度 菌体浓度 物理的 如传质特性 传热特性 混合能力 剪切力和功率消耗等 特别是物理条件与设备几何特性等 5 1反应器的比例一样 样子一样 2反应器供氧一样3搅拌一样4传质 传热 混合一样5各个参数都相同或者按照比例放大 能做到吗 抓住主要矛盾 尽量满足关键参数的一致 6 生物过程的关键的问题有 供氧满足要求 剪切力不能过大 营养物质和代谢物 包括产物 的质量传递符合要求 生物反应器的设计放大主要解决的是 设备几何尺寸的放大 通气量的确定 搅拌功率和搅拌转速的确定 通常生物反应器的设计放大是以反应器几何相似为前提 根据对象 以某个关键参数相等为原则进行的 7 1 几何尺寸的放大2 通气量的放大3 搅拌功率和搅拌转速的放大 8 由几何相似可知V2 V1称为放大倍数 几何相似时 不同规模的设备的对应尺寸均成比例 有了大的发酵罐 9 1 用单位体积培养液在单位时间 分钟 里所通空气量VVM表示其中Qg 操作状态下的空气流量 V 培养液体积 1 通气量的表示 10 2 用在标准状态下反应器单位面积上空气流量ws表示 类似于空塔气速 其中P罐绝对压力 0 5 液位高T罐温KA罐的截面积m2ws通常可以用Qg A来计算 估算 11 1 以VVM相等为原则其中 DT 为发酵罐内径 Qg2 放大的发酵罐通气流量 有了大发酵罐通气量 成立的条件 2 放大方法 12 2 以ws相等为原则 则通气量为 操作条件下 有了大发酵罐通气量 13 前提条件 几何相似 HT 发酵罐的高度 如果以VVM相等 14 如果以ws相等 则 前提条件 几何相似 15 1 以单位体积功率 不通气 相等为原则 大发酵罐搅拌转速确定了 大发酵罐搅拌功率确定了 几何相似 16 2 以KLa相等为原则 Michel经验式 几何相似 17 由N1可以计算出N2再由N2可以分别计算出不通气搅拌功率P通气搅拌功率Pg 18 某工厂在有效容积62升发酵罐上生产 淀粉酶 要放大到有效容积12M3 试计算 1 大罐主要几何尺寸DT Di HL Wb 2 通气量 Qg 2 表观线速度ws 3 搅拌功率 Pg 2 转速N2 已知 发酵液 密度1010Kg M3 粘度2 25 10 3Ns M2 小罐 DT 1 0 375M DT Di 3 HL DT 1 5 Wb DT 0 1 装液量62升 四片挡板 双层六弯叶涡轮搅拌桨 转速N1 350转 min 通气量VVM 1M3 M3 min 19 解 1大罐的几何尺寸确定 HL DT 1 5 装液量0 6 DT Di 3 Wb DT 0 1 20 2大罐的通气量与空气线速度1 设 则 21 所以可见 ws 2 ws 1 可能易引起液体夹带和罐体震动 22 2 设 ws 2 ws 1 const 已知 ws 1 33 75m h 所以可见大罐很可能通气不足 23 取一经验数据 ws 2 90m h 经验取值 这样 可以接受的VVM数值 确定了通气量 24 3求 Pg 2 N2设KLa const 以KLa为常数放大 1 求 KLa 1 25 26 所以无通气的搅拌功率为 上式在DT Di 3 HL DT 1 5比例下得出 27 校正1 几何形状校正校正2 搅拌桨层数校正所以无通气搅拌功率为 28 有通气时 所以可见 功率消耗只有无通气时的35 0 0574KW Michel经验式 29 已知 ws 1 33 75m h 所以 多层搅拌桨的KLa求取经验公式 30 2 求 Pg 2与