第五章生化反应器的比拟放大 ppt课件

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1、第5章生物反应器的比拟放大在实验室里用小型设备进行科学实验，获得了高的产量和效率，如何在大型的生产规模设备里予以重现，也就是大型设备的几何尺寸、功率、空气流量、搅拌转数都是怎样的才能再现小型设备里的好结果？这就是比拟放大要解决的问题。生物反应器的比拟放大是生物工程中一个重要课题。比拟放大法在化学工业和生物产业已经获得很多成功的例子，相对而言，生物反应过程复杂性远大于化工过程，影响过程的参数和因素也较多。一般说来，菌种的接入方式、菌龄、接种量、培养基组成、加料方式、pH值、操作温度、罐压、溶氧速率、搅拌混合强度等因素，都不同程度地影响细胞的反应过程。而实际影响生物过程的因素还远远不止

2、这些，其中有一些虽已被认识，但目前的科学实验水平尚还不能对它进行测量和控制，有一些则还未被认识。在现有科学技术水平上，还没有条件对所有因素的影响进行综合全面的考虑和综合分析，而只能选择其中最关键、最重要的参数进行考虑。这些参数有功率消耗、溶氧系数、桨尖速度等。但遗憾的是到今天为止，尚未得出一个十分有效准确的放大关联式，所以生物反应罐的放大技术还处于经验和半经验状态。本章讨论的放大是指在模型罐和生产罐之间以几何相似原则为前提。在生物反应罐放大中，主要解决放大后生产罐的空气流动、搅拌转速和搅拌功率消耗等问题上。本章重点讨论机械搅拌罐反应器的放大问题。5.1几何尺寸放大在反应罐的放大中，

3、放大倍数实际上就是罐的体积增加倍数。放大倍数m=V放大/V模型一般要保持几何相似的原则，那么H1/D1=H2/D2=A(常数)V2/V1=(D2/D1)3=mD2/D1=m1/3(H2/H1)3=mH2/H1=m1/35.2空气流量放大生物反应中空气流量一般有两种表示方法：1．以单位培养液体积在单位时间内通入的空气量VVM（标准状态）来表示（m3/m3·h）2．以操作状态下的空气直线速度Vs表示，m/min两种空气流量表示方式可以换算。下标0为标准状态,下标1为操作状态。V1=D2Vs1，V0=（VVM）VLVL：反应液体积T0=273T1=273+tP0=9.81×104PaP1

4、=PL(液柱平均绝对压力)根据气体定律：P0V0/T0=P1V1/T1π4标准状态操作状态整理出:(VVM)=(VVM)∝Vs1PLD227465.6VL(273+t)m3/m3·min标准状态下面讨论三种空气流量的放大方法:(1)以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大：(vvm)1=(vvm)2Vs∝(vvm)VL/PD2∝(vvm)D/PVs1PLD2VLVs2Vs1=D2D1P1P2,Vs2可求(2)以空气直线流速相同的原则放大:VS1=VS2(VVM)2(VVM)1=P2P1D2D1()2VL1VL2=P2P1D1D2(VVM)2可求。因为V2/V1=(D2/D1)3（3

5、）以KLa值相同的原则放大Kd=(2.36+3.30Ni)·(Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9式中有Pg、N等未定参数。可考虑用其它经验式，如Kla∝（）（HL）2/3最后推导出：QVL（VVM）2（VVM）1=（）2/3D1D2P2P1用不同的放大原则放大反应器的结果是不同的。举例如下：若V2/V1=125,D2=5D1,P2=1.5P1,则用上述三种不同放大方法计算出来的空气量如表所示：放大125倍时，不同放大判据的vvm和Vs值放大判据VVmVs值放大前放大后放大前放大后VVm相同1113.33Vs相同10.311KLa相同10.51311.71若以VVm相同原则

6、放大，放大125倍后，Vs增加了3.33倍，因气速太大，跑料可能严重，还容易使搅拌器处于被空气所包围的状态，不能加强气液接触和搅拌液体的作用。若以Vs相同方法进行放大，则VVm值在放大后仅为放大前的30%。此值又过低。因此人们认为以KLa相同原则放大，其合理性大，放大后的VVm和Vs值比较适合。放大判据VVmVs值放大前放大后放大前放大后VVm相同1113.33Vs相同10.311KLa相同10.51311.71放大125倍时，不同放大判据的vvm和Vs值5.3搅拌功率及搅拌转数的放大搅拌功率以及搅拌转数放大的方法很多，用于发酵罐的三种放大方法如下：（1）以单位体积培养液所消耗的功

7、率相同原则放大(Po/V)1=(Po/V)2Rem=104-106,Np不变功率准数：Np=Po/(ρN3D5)∴Po∝N3D5V∝D3因此Po/V∝N3D2，(N3D2)1=(N3D2)2∴确定转数N2=N1(D1/D2)2/3（P0）2/（P0）1=(N2/N1)3(D2/D1)5下标1是模型罐，下标2是放大罐。（2）以单位培养液体积所消耗的通气功率相同原则放大此时(Pg/V)1=(Pg/V)2∵Po=NpρN3D5Np:功率准数Rem>104时Np趋于常量Po∝