《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/rr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ND4、恒混合时间tmHL1/2D3/2/(N2/3d11/6)5、Q/Hd/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/V1m=V2/V1=/4D22H2/(/4D12H1)(D2/D1)3D2/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=VVMm3/(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/T2QgP/(273+t)=Q0(9.81104)/273Qg=Q0(273+t)(9.81104)/(273P)(m3/h)gQ0(60)(273+t)(9.81104)/(/4D2(273)P)27465.6Q0(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+9.81104)+9.81/2HLHL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/P22、以空气直线速度相同的原则放大依据式（2）得VVMgPD2/VLVVMgP/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)0.56g0.7N0.710-9m：搅拌涡轮的个数kd(Pg/V)0.56g0.7N0.7（1）,（2）依据Michel修正式P0=NpN3d5V=/4D2HQg=/4D2g所以Pg/V(N3d5)2Nd3/(D2g)0.080.39/(D2H)得Pg/VN2.73d2.01/g0.03，代入（1）式,得kd(N2.73d2.01/g0.03)0.56g0.7N0.7kdN2.23d1.13g0.68?依据(kd)2=(kd)1相等原则放大，则：N2/N1=(d1/d2)0.51(g)1/(g)20.30P2/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=375mmd=125mmD/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=0.0586KWPg=2.2510-3(P2Nd3/Q0.08)0.39=2.2510-3(0.058235012.53/600000.08)0.39=0.033kWgQg/(/4D2)0.06/(3.14/40.3752)=0.546m/min=54.6cm/minkd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9(2.36+3.302)(0.033/0.060)0.5654.60.73500.710-9=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=200.6D=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/minVVM=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(P2Nd3/Q0.08)0.39,P=2NpN3d5则Pg(N3d5)2Nd3/Q0.080.39N2.73d5.07/Q0.0312kd(N2.73d5.07/Q0.0312)/d30.56g0.7N0.7N2.229d1.159g0.7/Q0.0175N2.229d1.159g0.7/(d2g)0.0175N2.229d1.124g0.6825依据kd相等原则，推出N22.229d21.124g20.6825=N12.229d11.124g10.6825,则N22.2290.721.1241500.6825=3502.2290.1251.12454.60.6825N2=106r/minP=2NpN3d5=24.7(106/60)30.7251010=10129W=10.1kWPg=2.25103(P2Nd3/Q0.08)0.39=2.25103(10.1210672354900000.08)0.39Pg=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，VD3d3P/VN3d2所以(N3d2)2/(N3d2)1=1N2/N1=(d1/d2)2/3P2/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PNpN3d5N3d5，Qg0.785D2gd2gMichel修正式Pg=2.2510-3(P2Nd3/Q0.08)0.39Pg(N3d5)2Nd3/(d2g)0.080.39N2.73d5.01/g0.03Pg/VN2.73d2.01/g0.03故N2/N1=(d1/d2)0.736(g)2/(g)10.01P2/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=2NpN3d5，推出P/VN3d2依据P1/V1=P2/V2，则N2/N1=(d1/d2)2/3N2=(0.125/0.72)2/3350109r/minP=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Re105，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/V1N23d25/D23N13d15/D13N2/N1=(d1/d2)5/3D2/D1(dN)2/(dN)1=(d1/d2)2/3D2/D1,(dN)2/(dN)1=(d1/d2)2/3D2/D1,若D2=D1,d2d1,则(dN)2/(dN)11若发酵罐体积放大(D2D1)，d2/D2d1/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)1/31,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)5/3D2/D1,(tM)2/(tM)1=(d1/d2)13/18(D2/D1)4/3若D2=D1，则(tM)2/(tM)1=(d1/d2)13/181若发酵罐体积放大(D2D1)，d2/D2d1/D1则(tM)2/(tM)1=(d1/D1)/(d2/D2)13/18(D1/D2)13/18(D2/D1)2(D2/D1)23/181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)2H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)Nd3Q越大，液体的循环越快，有利于混合和缩短混合时间。Qv=Q/VNd3/DN,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)5/3Qv/H1/(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0.291m3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，几何相似，则：V2/V1=(d2/