生物工程设备-第六章生物反应器的比拟放大

生物反应器的比拟放大,第一节生物反应器的放大目的及方法一生物反应器的放大目的二生物反应器的放大方法第二节生物反应器的放大设计一机械搅拌通气发酵罐的经验放大法二气升式反应器的放大,对生物反应器进行比拟放大研究是因为生物产品产业化须经历三个阶段：,1）实验室阶段进行基本的生物细胞（菌种）的筛选和培养基的研究2）中试阶段此阶段参考摇瓶结果，用小型发酵反应器进行生物培养或发酵，以进行环境因素的最佳操作条件的研究3）工厂化阶段在此阶段进行实验生产甚至商业化生产，向社会提供产品，并获得经济效益这是一个逐级放大过程，需要以实验室和中试阶段取得的实验数据为依据，制造大规模的反应系统，以保证细胞生长和生物反应速率相试,在生物反应器中存在三种不同类型的重要过程：热力学过程，微观动力学过程和传递过程其中传递过程在生物反应器比拟放大中影响最大：1）反应器放大后，系统内的动量传递过程将相应变化，2）搅拌器的搅拌剪切作用随反应器规模增大而增加，3）这不仅影响细胞团的分散状态如絮凝，悬浮，结成团块，严重时还会使细胞本身产生剪切损伤作用放大后，传递过程对生物发酵过程的影响：1）通气发酵厌气发酵2）连续发酵间歇发酵,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,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,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。,相比较而言：小型装置的物质浓度和压强梯度很小，具有良好的混合特性，且表面效应影响很大，湍流剪切强度较低大型发酵设备具有明显的物质浓度和压强梯度，生物细胞随液体微团运动，在不同的时间可能会处于不同营养和溶氧浓度及变化压强的环境中，且受到的湍流剪切力较高。传递过程中的质量转递，热量传递，动量传递问题，是反应器放大的核心问题，以保证放大前后反应器生物细胞的生长速率，代谢产物的生成速率维持不变,二生物反应器放大方法,生物反应器的传递现象与控制受：对流和扩散控制对流传递过程的时间常数为：tf=L/v式中L-反应器特征尺寸，mv-反应溶液对流运动速度,m/s反应器放大前后传递时间常数tf与反应转化常数tc（tc是基质浓度与反应速度的比值）之比值维持不变，则放大前后反应器的性能可维持不变对剪切敏感易受伤的细胞，放大过程还必须检测生物细胞对剪切作用的影响对扩散传递过程，时间常数为：Td=L2/K式中K-扩散系数可见反应器放大后tf，tD明显增大，而tc值保持不变由于小型罐tctf（或Td）,大型罐，tc105时tM1/tM2=（n14Di2/n24Di1）1/6当（Po/VL）1=（Po/VL）2时，n2/n1=（Di1/Di2）2/3则：tM1/tM2=（Di2/Di1）11/18,常数,五）搅拌液流速度压头H，搅拌液流循环速度（对机械搅拌发酵罐为泵送能力）QL以及QL/H比值对发酵反应器放大设计的影响,搅拌液流速度压头H机搅拌叶轮叶尖线速度的平方成正比H（w/Di）2搅拌液流循环速率QL则正比于搅拌涡轮转动横截面积及叶尖线速度：Q（nDi）（Di2/4）nDi3H和QL增大的优点：H增大，液流湍动激烈，有利于溶氧传质和菌丝团分散QL越大，对混合有利，可缩短混合时间，实现均匀混合QL/H可作为放大设计大型罐的参考指标QL/HD/n综合考虑：适当增大搅拌涡轮直径Di有利于均匀混合适当提高n而保持Di不变有利于氧的溶解Po/VL值的恒定及微生物细胞对搅拌剪切力的耐受水平,五）搅拌液流速度压头H，搅拌液流循环速度（对机械搅拌发酵罐为泵送能力）QL以及QL/H比值对发酵反应器放大设计的影响,例：以小型罐系统为溶氧速率控制，微生物细胞对搅拌剪切力敏感罐径：D=0.57m，搅拌叶轮直径Di=0.228m，液深HL=1.14m，装液量0.291m3，使用两组圆盘六弯叶涡轮，搅拌转速n=380r/min。试验表明：若搅拌剪切速率增大超过50%则对菌丝团损伤太大而影响发酵产率。求将发酵罐放大至30m3的几何尺寸及搅拌转速w等根据题意以Po/VL相等的原则进行放大，同时以QL/H及搅拌叶尖线速度Diw作为参考指标则H（w/Di）2=.Qv=QL/VLw/Di3/VL=.（Qv/H）1=K1Qv/H=.搅拌叶轮叶尖速度为：（nDi）1=按几何相似原则进行发酵罐放大得大罐尺寸：,五）搅拌液流速度压头H，搅拌液流循环速度（对机械搅拌发酵罐为泵送能力）QL以及QL/H比值对发酵反应器放大设计的影响,求得大罐的（Qv/H）2及搅拌叶尖线速度（nDi）2因为按照几何相似原则进行放大，则K1=K2可求得（Qv/H）1/（Qv/H）2=7.83但（nDi）2/（nDi）1=1.67在本题中放大后搅拌叶尖线速度提高了67%，不满足题意可在维持Po/VL不变的情况下，适当调整Di和n可将Di增大50%,n降低50%，调整后的搅拌功率改变为：Po2/Po2=（Npn13Di15）/（Npn13Di15）=0.95可见改变后搅拌功率基本维持不变此时（n2Di2）/（n1Di1）=.=1.25再求得搅拌叶轮直径Di，搅拌转速n，搅拌叶尖线速度和相应的Qv/H,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以P0/VL相等的准则进行反应器的放大以搅拌叶尖速度相等的准则进行机械搅拌通风发酵罐的放大以混合时间相等的准则进行放大搅拌液流速压头H、搅拌液循环速率（对机械搅拌发酵罐为泵送能力）QL以及QL/H比值对发酵反应器放大设计的影响,通风发酵罐的放大设计,二气升式反应器的放大,一空气压缩的能量消耗及溶氧传质气升式发酵反应器的混合溶氧传质依赖通入的压缩空气输入压缩空气的压强，流量，空气压缩所用的空气压缩机的型号规格决定这类反应器的能耗气体在发酵液中的分散受输入能量功率的影响反应器的结构及发酵液的物化特性也起重要作用小型反应器，空气分布器对气泡在溶液中的分散状况有重要影响大型发酵罐，反应器平均分散功率将影响汽夜两相的分散,气升式发酵罐的放大,空气压缩的能量消耗及溶氧传质对气升式反应器，输入对压缩空气的压强、流量及空气压缩所用的空气压缩机的型号规格是决定这类反应器能耗的关键。,气升式发酵罐的溶氧系数kLa与空气截面气速vs的关系式为：kLa=0.0023(vs/ds)1.58kLa=bvsm,气升式发酵罐的放大,一空气压缩的能量消耗及溶氧传质,气升式发酵罐的液体循环速率和其他操作特性之间的关系,二）气升式发酵罐的放大,对鼓泡塔可采用空截面气速保持不变的原则进行放大鼓泡式发酵罐的通气能耗Pg，体积溶氧系数kla的公式如下Pg=LgvsVL（1）或Pg=qmRTln（p1/p2）/M（2）式中L-发酵液密度，kg/m3qm