《比拟放大》PPT课件.ppt

第七章比拟放大 生物反应器的比拟放大 任何一个生物工程产品的研究开发周期必须经历3个阶段 1 实验室阶段 2 中试阶段 3 工厂化规模 比拟放大把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段 它不是等比例放大 而是以相似论的方法进行放大 为什么生化反应器的放大比较困难 物理条件发生改变 放大的反应器中的物理环境与几何相似的小反应器中的物理环境会有所差异 放大规模的改变会导致生化反应器中物理环境的改变 这种改变往往会影响到细胞的生长和代谢过程 当反应器放大过程中引起的物理化学环境变化对细胞造成损伤或破坏 细胞对在不同放大规模下不同培养环境的代谢响应会有所差异 比拟放大的依据 1 单位体积液体的搅拌消耗功率2 搅拌雷诺准数3 溶氧系数4 搅拌器叶尖线速度 5 混合时间 生物反应器的放大目的及方法 生物反应器的放大目的重点解决有关的质量传递 动量传递和热量传递问题 以便在反应器的放大过程中尽可能维持生物细胞的生长速率 代谢产物的生成速率 生物反应器的放大目的及方法 比拟放大的内容罐的几何尺寸 通风量 搅拌功率 传热面积和其他方面的放大问题 这些内容都有一定的相互关系 生物反应器的开发和设计过程生物发酵过程和生物反应器的开发和设计过程由3步构成 1 在较宽的培养条件 例如培养基的培养物质组分及其浓度 pH 溶氧速率和溶氧浓度 搅拌剪切强度等 下对所用的生物细胞种进行试验 以掌握细胞生长动力学及产物生成动力学等特性 2 根据试验结果 确定该生物发酵的最优的培养基配方和培养条件 3 对有关的质量传递 热量传递 动量传递等微观衡算方程进行求解 导出能表达反应器内的环境条件和主要操作变量 搅拌转速 通风量 搅拌功率 基质流加速率等 之间的关系模型 然后 应用此数学模型 计算优化条件下主要操作变量的取值 生物反应器的放大目的及方法 经验放大原则 表2通气发酵罐放大准则 生物反应器的放大目的及方法 发酵过程不是单纯的化工过程 而是一个复杂的生物化学过程 目前在微生物发酵过程中受到控制的参数和因素 一般是菌种接入的方式 种龄 种量 培养基成分及添加方式 pH值 操作温度 罐压 溶氧速率 搅拌混合强度等等 而实际影响此生物过程的因素远不只此 有一些虽然已被认识了 但是目前还不能测量和控制 有些则是尚未被认识的 现在只研究了少数一些参数对此过程的关系 而假定其它因素是不变的 实际上不可能是不变的 因此 在这种基础上进行的比拟放大 工程上的可靠性远较化工过程的比拟放大为差 发酵罐比拟放大的基准视具体情况具体分析 要抓主要矛盾 比拟放大不是简单的比例放大 发酵设备的几何相似只不过是相似的基本条件之一 尤其重要的还要求流体的流态相似及传质 传热相似且与微生物的新陈代谢反应有关系 放大依据 1 氧传递速度相等 2 比较搅拌桨叶顶端速度 3 在通气培养时 比较单位液量所需的搅拌功率 4 混合时间相同 5 雷诺准数相等 6 通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致 前五项都是以化学工程学为基础的物理方法 第六项是以控制环境条件调节所培养的微生物的生理变化 细胞内代谢活性变化 以达到重复所需产物生成过程的方法 第一节比拟放大的基本方法 第一节比拟放大的基本方法 一 几何尺寸放大一般是根据几何相似原则放大 罐尺寸 搅拌器及罐内各部位置等 一般是根据几何相似原则放大的 大设备的装料体积V2与小设备的装料体积V1之比 称为体积放大倍数 在放大过程中 一般采用大 小反应器直径之比D2 D1 并定义为放大比 在机械搅拌反应器中 若放大时几何相似 则放大比还可用搅拌器直径之比Di2 Di1来代替 大小反应器的装料体积之比称为体积放大倍数V2 V1 大小反应器的直径之比称为放大比D2 D1 通风量的大小不仅与氧传递速率有关 而且在通风搅拌式生化反应器中 通气速率的大小还决定了反应器中醪液搅拌的强度 与通风量有关的基本参数有下列一些 1 单位容积液体的通气量 即通风比Q V 2 通风准数Na Q nD3i 3 反应器空截面的空气线速度Vs 4 体积溶氧系数KLa值 二 通风量放大 二 通风量放大 1 按单位体积液体通风量相等放大若Q V相等 则 大小反应器中空气中氧的利用率相同 可按Q V值 通风比 相等的原则进行放大 然而 由于大型反应器液柱高 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 因此大型反应器有较高的空气利用率 在放大时大型反应器的Q V值应小于小型设备的Q V值 2 按通风空截面空气线速度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 在通风搅拌式生化反应器中 Vs的大小还表征了通风搅拌的强弱 因此 Vs也是通风量放大的基本参考数据之一 Q D2Vs即Vs Q D2若Vs相等 则Q2 Q1 D22 D21 D32 D31 D1 D2 V2 V1 D1 D2或若假定在其他条件不变的情况下 按相同的线速度Vs相等放大 大罐和小罐有同样的KLa值 那么由于大罐的液柱高 气体中氧的利用率高 在反应器上层的发酵中 就会由于氧的利用而使空气中氧的分压减小 从而导致溶氧速率降低 这在空气中氧的利用率不是很高 如 30 时可以不考虑 但当空气中氧的利用率很高时 就会有明显的影响 因此 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Na相等放大通风准数Na Q nD3i表示反应器中空气线速度与搅拌液体的线速度之比 因而它的大小表征了通风与搅拌的相对强度 Na Q nD3iDi搅拌器直径n搅拌转速若Na相等 则 Q2 Q1 n2 n1 D3i2 D3i1 n2 n1 V2 V1 或者 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之间有如下关系式 KLa Q V HL2 3 式中 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 对几何相似的大 小发酵罐 处理物料的物理性质相同时 就有 KLa 2 KLa 1 Q V 2 Q V 1 HL2 HL1 2 3 若按体积传氧系数KLa相等进行放大 则 可见 大罐单位体积需要的通风量要比小罐小的多 三 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反应器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的放大问题 若几何相似 则Di一定 放大问题就只是选择搅拌转速n的问题了 搅拌功率放大的依据准则很多 必须根据具体情况合理选用 1 按搅拌雷诺准数Re相等放大Re数值的大小表征反应器内流体的流动状况 对KLa值的大小起着决定性的作用 如果动力学相似 即Re数相同 在某些情况下可作为放大的依据 Re nD2i nD2i 若Re相等 则n2 n1 Di1 Di2 2 D1 D2 2 2 按单位体积液体消耗功率P V相等放大若设备几何条件相似 处理物料的物理性质相同 则可按单位体积液体消耗功率相等进行放大 当流体达到充分湍流状态时 P n3D5i 即P V n3D2i 因为V D3若P V相等 即 n3D2i 1 n3D2i 2 n2 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 按照体积溶氧系数KLa相等放大下一节论述 4 按搅拌器末端线速度nDi相等放大 很适合对剪切作用特敏感的菌种如丝状菌 提高液流搅拌速度 能提高氧传递速率 但速度过高时因对微生物菌体的剪切作用增大而可能破坏其生长 代谢活动 由于生化反应器内搅拌液流的速度以搅拌器末端最大 所以搅拌器末端线速度nDi是比拟放大时需要考虑的基本数据之一 n2Di2 n1Di1 n2 n1 Di1 Di2 D1 D2 某些微生物菌种 大多为丝状菌 对剪切作用特别敏感 如果在小型试验设备中搅拌器所产生的最大剪切应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 按速度压头相等放大 搅拌器可比作一个离心泵 泵的主要性能是流量和压头 因而搅拌器的性能也可以用循环流量F和速度压头Hp这两个指标来评价 Hp与 nDi 2成正比 F与nD3i成正比 即 Hp n2D2i F nD3i 速度压头Hp表征反应器内流体的湍流强度和对物料的速度梯度的大小 即对物料剪切作用的大小 若以Hp相等进行放大 显然将得到与搅拌器末端线速度 nDi 相等放大时同样的结果 即 6 按单位体积搅拌循环流量相等放大 单位体积发酵液的搅拌循环流量F V 表征了反应器中醪液混合的均匀程度 因而F V也是比拟放大所必须考虑的基本参数数据之一 F nD3i V D3 D3i F V n 如果F V相等 则 对于机械搅拌通风发酵罐 发酵液的均匀混合则主要地决定于搅拌功率 因而搅拌功率对反应器性能的影响相对较大 对于几何相似的发酵罐 普遍采用单位体积液体功率P V相等的放大方法 目前趋向于溶氧系数相等的放大方法 溶氧系数是所有好气性发酵的主要指标 维持大 小发酵罐的溶氧系数相等 就能在较经济的条件下获得较高的产率 同时 即使对于几何不相似以及不同型式的反应器 溶氧系数相等的放大方法也能适用 至于搅拌雷诺准数Re 搅拌器末端线速度nDi和单位液体的搅拌循环流量F V 一般仅作为放大设计的基本参考数据 只在特殊场合下才用作比拟放大的依据 第二节机械搅拌发酵罐的比拟放大 以体积溶氧系数KLa为基准进行比拟放大必须已知小型试验条件下溶氧系数的大小和适合于放大设备的溶氧系数计算式 由于适应范围较广的溶氧系数计算式大多是用亚硫酸盐氧化法测定的结果 因而小试条件下的溶氧系数也用亚硫酸盐氧化法测定 当然用此法测定的溶氧系数只具有相对的意义 并不代表实际发酵时的溶氧系数 溶氧系数相等的放大方法 其主要步骤如下 1 确定试验设备的主要参数 并试算Kd值 2 按几何相似原则确定放大设备的主要尺寸 3 决定通风量Q 4 按溶氧系数相等的原则确定搅拌功率P及转速n 以体积溶氧系数相等为基准的比拟放大法 通风发酵罐的放大设计 机械搅拌通风发酵罐的经验放大 以体积溶氧系数kLa 或kd 相等为基准的放大法 通气搅拌发酵罐的主要参数及计算公式 1 不通气的搅拌功率P0 NP n3Di5 2 通气搅拌功率Pg 2 25 10 3 P02nDi3 Q0 08 0 39 高好氧发酵通常应用等kLa的原则进行反应器放大 通风发酵罐的放大设计实例 某厂在100L机械搅拌发酵罐中进行淀粉酶生产试验 所用端菌种为枯草杆菌 为获得良好的发酵效果拟放大至20m3生产罐 此发酵液为牛顿型流体 黏度 2 25 10 3Pa S 密度 L 1020kg m3 试验罐的尺寸为 D 375mm直径 搅拌叶轮Di 125mm 高径比H D 2 4 液深HL 1 5D 4块挡板的W D 0 1 装液量为60L 通气速率为1 0m3 m3 min 使用两挡圆盘六直叶涡轮搅拌器 转速 350r min 通过实验研究 证明此发酵为高耗氧的生物反应 故可按体积溶氧系数相等之原则进行放大 以体积溶氧系数相等为基准 1 计算试验罐的kLa a 先求搅拌雷诺准数ReM 当发酵系统充分湍流时 即ReM 104时 对圆盘六直叶涡轮 NP 6 0 对圆盘六弯叶涡轮 NP 4 7 而对圆盘六箭叶涡轮 NP 3 7 由于此处ReM 104 为圆盘六直叶涡轮 因此NP取为6 0 b 2档叶轮的不通气时的搅拌功率为 c 通气搅拌功率为 下式中Qg的单位是ml min由m3 m3 min转化 从而可以算出体积溶氧系数 其中空截面空气线速度 通风量 截面积 为 2 按几何相似原则确定20m3生产罐的尺寸 据题设几何尺寸比例 放大罐与小罐相同 则有H D 2 4 D d 3 0 HL D 1 5 题中给出已知条件 而有效装料体积仍取60 由此可得 可得D 2 17m H 2 4D 5 20m d D 3 0 72m HL 1 5D 3 26m这是按几何相似原则计算求得的20m3生产罐的尺寸 仍采用两组圆盘六直叶涡轮搅拌器 3 决定大罐的通气量Qg 由于空截面气速us与罐体积的立方根成正比 所以经放大的倍数较大时 则其空截面气速us有较大的增加 如体积放大100倍 线速度提高100的1 3次方 4 64倍 过大的us会造成太多的泡沫产生甚至跑料 而且消耗的通气功率也将太高 因此在发酵反应器放大时 必须全面考虑以确定通气流率 若按通气强度不变 即取大罐的通气速率为1 0m3 m3 min 可算出通气量及相应的空截面气速为 对比小罐的空截面气速 us 54 3cm min 可见 若按通气强度不变 则大罐的通气截面气速约相当于小罐的6倍 经验表明 这种气速太高 故可折中取大罐的us 150cm min 由此可计算出大罐的通气速率为 通气强度为 5 55 12 0 462m3 m3 min 装料12m3 4 按kLa相等原则计算放大罐的搅拌转速和搅拌功率 因 所以 7 01x10 6 7 434x10 8Pg0 56n0 7 所以 Pg 3356n 1 25 又根据Pg的又一表达式 d为搅拌直径cm 换算成m min 即 比较两个不同的Pg表达式可得 由搅拌轴功率公式可计算得到 联立上面式可计算得到 n 123r minP 10 2kWPg 8 19kW d为搅拌直径cm0 72m 72cm Np搅拌功率准数 充分湍流取6 0 试验罐与放大计算结果比较 项目试验罐放大罐公称体积V m3 0 120有效体积VL m3 0 0612放大倍数1200直径D m 0 3752 193高径比H D2 42 4液柱高HL D1 51 5搅拌叶轮d D1 31 3通气强度 vvm 1 00 462P VL kW m3 1 240 789Pg VL kW m3 0 6580 704搅拌转速n r min 350120叶尖线速度npd m s 2 2914 593kLa7 01x10 67 01x10 6 以P VL相等为基准 利用经验公式求解kLa往往会有较大的误差 因此对某些发酵系统并不理想 而单位体积发酵液的搅拌功率P VL与kLa有密切的关系且容易测量和计算 实践表明 对于溶氧速率控制发酵反应的非牛顿发酵液 把P VL相等作为放大准则效果较好 仍以上一例的数据为依据 以P VL相等为基准进行放大计算 对试验罐 有 同理对放大罐 有 根据P VL相等原则 令 P VL 1 P VL 2 可以得到 由题设 知n1 350r min d1 0 125m 按几何相似原则放大 放大罐的d2 0 72m 用d1和d2的值代入上面关系式 可求解出放大罐的搅拌转速 因此 放大罐的搅拌功率P为 因此 放大罐的通气搅拌功率Pg为 取放大罐的通气强度为0 462vvm 与上一例相同 则 代入上式得 在上述条件下 相应的体积溶氧系数为 Qg 20 60 0 462 5 544m3 min带入方程Vs 5 544 1 499m min Vs单位cm min 试验罐与放大计算结果比较 项目试验罐放大罐公称体积V m3 0 120有效体积VL m3 0 0612放大倍数1200直径D m 0 3752 193高径比H D2 42 4液柱高HL D1 51 5搅拌叶轮d D1 31 3通气强度 vvm 1 00 462P VL kW m3 1 241 18Pg VL kW m3 0 6580 85搅拌转速n r min 350109叶尖线速度npd m s 2 2914 172kLa7 01x10 67 28x10 6 第三节放大问题的讨论 采用不同的放大标准 所得结果差异很大 等溶氧系数法 等功耗法所得结果接近 而且较准确 最为常用 逐级放大的必要性 混合时间的影响 罐体金属材料的影响 搅拌桨末端线速度的影响 混合均匀度问题 关于缩小 1 以Kd或者P V相等进行放大时 两者所得结果比较接近 而且放大罐的体积溶氧系数和单位体积液体的搅拌功率等指标都比较接近小型试验罐的 所以 生化反应器大多采用这两种方法进行放大 然而 搅拌器末端线速度nDi提高了近一倍 在采用溶氧系数相等的放大方法时 也可能出现搅拌桨圆周速度过高的情况 所以试验时就要预先注意这个问题 如果出现这种情况 可以适当调整搅拌桨的直径和转数或在降低转数的同时采用多组搅拌器 那些对液体速度影响不敏感的菌类可不考虑这个问题 在实际发酵罐中 液体的速度分布并不均匀 靠近搅拌桨叶处最大 速度愈大 对发酵液的剪切作用愈大 在某些菌种的发酵中 液体速度超过一定限度就会损伤微生物 影响微生物的活性而使产率下降 例如用黑曲霉发酵生产柠檬酸 在50m3发酵罐中 原来采用六弯叶涡轮搅拌器两组 转速110r min产酸很低 在4 左右 而当改用六箭叶三档 转速为87r min 产酸马上上去了 达到8 左右 这是因为黑曲霉对高转速搅拌所产生的剪切力敏感所致 又如 VB12发酵当溶氧系数较高时反而使产率下降 亦可能是由于较高的搅拌圆周速度使菌体损伤所致 因此 如果微生物菌种对剪切作用特别敏感 可采用适当增大通风量 同时降低搅拌功率 转速 的办法来减小nDi值 也可采用适当减小搅拌器直径的办法减小nDi值 对于特别需要快速混合的发酵生产 则可采用适当提高搅拌转速 同时降低通风量的办法来增大F V值 以nDi 搅拌末端线速度 相等进行放大 除Re值之外 表征反应器性能的各项指标都低于小型试验罐 由于单位体积功率消耗P V随放大比的增加而显著减小 Kd值随之降低 这不满足溶氧的要求 就是说 对于剪切作用敏感的丝状菌类发酵 也不宜采用搅拌器末端线速度相等进行放大 若采用此法进行放大 必须采用适当加大通风量和提高操作压力等办法来提高溶氧速率 以雷诺准数Re相等进行放大 所得各项数据都与小罐相差很大 可见在一般情况下是不宜采用动力学相似 即Re相等 的方法进行放大的 Re相等的放大准则 只是在容积或直径接近的反应器中有一定的借鉴作用 第17张片子 混合时间的影响 逐级放大的必要性 罐内液体完全均匀混合所需要的时间叫混合时间 混合时间越短 表示搅拌愈激烈 因此 混合时间也可作为衡量液体搅拌雷诺准数Re大小的依据 在湍流情况下 按等P V放大的概念 可推出下式 t2 t1 D2 D1 11 18按照此式计算 如果直径放大比D2 D1 10 体积放大倍数V2 V1 1000 那么混合时间就要比小罐大4倍以上 混合时间的延长使空气中O2的溶解和微生物对营养的摄取以及代谢物的排泄都变得缓慢 尤其是某些需要中间补料和连续发酵的串联罐更应注意混合时间的影响 因为放大比愈大 混合时间愈长 所以不宜将在过分小的设备上所取得的结果立即放大到容积很大的设备上去 这样就看不出混合时间的延长所产生的影响 搅拌圆周速度nDi也是同样的情况 由此说明了逐级放大的必要性 有时放大比很大时 甚至D2 D1 20或V2 V1 8000 采用等P V放大法仍有成功的例子 这是因为此种情况的发酵 其混合时间不是主要因素或是该种菌体对混合时间的影响并不敏感之故 罐体材料金属离子的影响 在某些发酵罐中 罐体材料的金属离子有一定的影响 在摇瓶试验阶段 可在瓶中悬挂一小块金属片观察其影响程度 影响程度可用单位体积液体所接触的材料表面积A V为指标 对圆柱形发酵罐在放大时可推出下式 A V 2 A V 1 D1 D2 由此可知 罐体材料金属离子对发酵的影响与放大比成反比 如果这种金属离子对发酵有抑制作用 那么放大时这种抑制作用可以相应减小是有利的 反之 如果金属离子有促进作用那就是不利的 搅拌桨末端线速度的影响 几何相似的发酵罐 在罐内液体湍流条件下 根据等P V的放大方法 搅拌桨末端线速度nDi之间存在下列关系 nDi 2 nDi 1 大罐搅拌圆周速度 小罐搅拌圆周速度 Di2 Di1 1 3 D2 D1 1 3 由