生物化學工程基礎(chǔ)（李強）201x－09- 攪拌與通氣

1、編輯ppt李強 化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering生物化學工程基礎(chǔ)生物化學工程基礎(chǔ)Biochemical Engineering李 強化工系生化所抗體與生物催化工程實驗室編輯ppt2李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering9.1 概述概述1. 為什么要研究反應器放大？為什么要研究反應器放大？u反應器放大是生產(chǎn)規(guī)模的需要反應器放大是生產(chǎn)規(guī)模的需要u小的反應器、放大到大的反應器，會出現(xiàn)很多問題小的反應器、放大到大的反應器，會出現(xiàn)很多問題 傳質(zhì)問題、傳熱問題、混合問題

2、、設(shè)備問題傳質(zhì)問題、傳熱問題、混合問題、設(shè)備問題u反應器放大是科學技術(shù)從實驗室推向產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路反應器放大是科學技術(shù)從實驗室推向產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路 實驗室規(guī)模中試規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模實驗室規(guī)模中試規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模編輯ppt3李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering生物反應過程的研發(fā)包括三個不同規(guī)模的階段生物反應過程的研發(fā)包括三個不同規(guī)模的階段1 1 利用實驗規(guī)模的反應器進行種子篩選、發(fā)酵反應利用實驗規(guī)模的反應器進行種子篩選、發(fā)酵反應動力學和工藝條件的確定實驗；動力學和工藝條件的確定實驗；2 2 在中間規(guī)模的反應器上確定最佳的操作條件，驗在

3、中間規(guī)模的反應器上確定最佳的操作條件，驗證和改進小試的結(jié)果；（中試）證和改進小試的結(jié)果；（中試）3 3 在大型生產(chǎn)設(shè)備中投入生產(chǎn)。（產(chǎn)業(yè)化）在大型生產(chǎn)設(shè)備中投入生產(chǎn)。（產(chǎn)業(yè)化）編輯ppt4李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering 生物化學工程師的任務生物化學工程師的任務就是：要力求保持不同規(guī)模就是：要力求保持不同規(guī)模中的生物反應有中的生物反應有 這些外部條件包括這些外部條件包括 化學的：化學的： 如基質(zhì)濃度、菌體濃度，如基質(zhì)濃度、菌體濃度， 物理的：物理的： 如傳質(zhì)特性、傳熱特性、混合能力、剪切力和功率如傳質(zhì)特性、傳熱特性、混

4、合能力、剪切力和功率消耗等，特別是物理條件與設(shè)備幾何特性等。消耗等，特別是物理條件與設(shè)備幾何特性等。編輯ppt5李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering理想的放大目標理想的放大目標 1 反應器的比例一樣（樣子一樣）反應器的比例一樣（樣子一樣） 2 反應器供氧一樣反應器供氧一樣 3 攪拌一樣攪拌一樣 4 傳質(zhì)、傳熱、混合一樣傳質(zhì)、傳熱、混合一樣 5 各個參數(shù)都相同或者按照比例放大。各個參數(shù)都相同或者按照比例放大。編輯ppt6李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineerin

5、g 供氧滿足要求，剪切力不能過大，營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物供氧滿足要求，剪切力不能過大，營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物( (包包括產(chǎn)物括產(chǎn)物) )的質(zhì)量傳遞符合要求。的質(zhì)量傳遞符合要求。 設(shè)備幾何尺寸的放大，通氣量的確定，攪拌功率和攪拌設(shè)備幾何尺寸的放大，通氣量的確定，攪拌功率和攪拌轉(zhuǎn)速的確定。轉(zhuǎn)速的確定。 通常生物反應器的設(shè)計放大是以反應器通常生物反應器的設(shè)計放大是以反應器幾何相似幾何相似為前提，為前提，根據(jù)對象，以某個關(guān)鍵參數(shù)相等為原則進行的。根據(jù)對象，以某個關(guān)鍵參數(shù)相等為原則進行的。編輯ppt7李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering9.2

6、細胞生物反應器的放大設(shè)計細胞生物反應器的放大設(shè)計 1） 幾何尺寸的放大幾何尺寸的放大 2 ）通氣量的放大）通氣量的放大 3 ）攪拌功率和攪拌轉(zhuǎn)速的放大）攪拌功率和攪拌轉(zhuǎn)速的放大編輯ppt8李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering1） 幾何尺寸的放大幾何尺寸的放大 由幾何相似可知由幾何相似可知 V V2 2/V/V1 1稱為放大倍數(shù)。稱為放大倍數(shù)。 幾何相似時，不同規(guī)模的設(shè)備的對應幾何相似時，不同規(guī)模的設(shè)備的對應尺寸均成比例。尺寸均成比例。 31212DDVV編輯ppt9李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基

7、礎(chǔ) Biochemical Engineering2） 通氣量的放大通氣量的放大(1) (1) 用用在在里所里所通空氣量通空氣量VVMVVM表示表示其中其中 Q Qg g 的空氣流量。的空氣流量。 V V 培養(yǎng)液體積。培養(yǎng)液體積。min)./(33液氣 mmVQVVMg1) 通氣量的表示通氣量的表示編輯ppt10李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering (2) (2) 用用反應器單位面積上空氣流量反應器單位面積上空氣流量w ws s表示表示( (類似于空塔氣速類似于空塔氣速) ) 其中其中 P P 罐絕對壓力罐絕對壓力+0.5

8、+0.5液位高液位高 T T 罐溫罐溫 K K A A 罐的截面積罐的截面積 m m2 2 w ws s通?？梢杂猛ǔ？梢杂肣 Qg g/A/A來計算（估算）來計算（估算） 1273TPAQwgs編輯ppt11李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering (1)(1)以以VVMVVM相等為原則相等為原則 其中：其中：D DT T：為發(fā)酵罐內(nèi)徑。：為發(fā)酵罐內(nèi)徑。 Q Qg2g2：放大的發(fā)酵罐通氣流量：放大的發(fā)酵罐通氣流量321121221TTggggDDQQVQVQ2)放大方法放大方法編輯ppt12李強 化工系生化所 抗體與生物催化

9、工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering2731122PTwAQsg(2) (2) 以以w ws s相等為原則，則通氣量為相等為原則，則通氣量為( (操作條件下操作條件下) )編輯ppt13李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering以以VVM相等和以相等和以ws相等放大結(jié)果比較相等放大結(jié)果比較122112211111122222121212121273AVVVM1273AVVVMPPTTDDwwPPTTHHTPTPwwTTssTTssHT：發(fā)酵罐的高度：發(fā)酵罐的高度如果以如果以VVM相等相等編輯

10、ppt1412211232221)()(TTPPDDVVMVVMPTDwPTDwDVQVVMPTwDQTTTsTsTgsTg李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering如果以如果以ws相等，則：相等，則：編輯ppt15李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering3） 攪拌功率和攪拌轉(zhuǎn)速的放大攪拌功率和攪拌轉(zhuǎn)速的放大312102013/2212223221312201102335304530)10(ReiiiiiiiiiiDDPPNDDNDNDNVPVpDNDDNVPD

11、KNP單位體積功率(1) (1) 以單位體積功率（不通氣）相等為原則以單位體積功率（不通氣）相等為原則編輯ppt16李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering745. 015. 3/252. 0745. 015. 3/252. 0252. 0346. 215. 32253045. 056. 0320)(TsisLsiLisTsgigigsgLDwDwNaKwDNaKDwDwQDNpQNDPPwVPaK相等常數(shù)sgLwVPKaK)/(2) (2) 以以K KL La a相等為原則相等為原則45. 056. 0320gigQNDPC

12、PMichel 經(jīng)驗式經(jīng)驗式幾何相似編輯ppt17李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering745. 0215. 3/252. 02745. 0115. 3/252. 0121745. 015. 3/252. 0745. 015. 3/252. 0NNTsTsTsisDwDwDwDwN由N1可以計算出N2再由N2可以分別計算出 不通氣攪拌功率P 通氣攪拌功率Pg編輯ppt18李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering9.3 9.3 實際放大的例子實際放大的例子某工

13、廠在有效容積某工廠在有效容積62升發(fā)酵罐上生產(chǎn)升發(fā)酵罐上生產(chǎn)-淀粉酶，要放大到有效容積淀粉酶，要放大到有效容積12M3，試計算：試計算： 1) 大罐主要幾何尺寸大罐主要幾何尺寸DT，Di，HL，Wb。 2) 通氣量通氣量 (Qg)2，表觀線速度，表觀線速度 ws。 3) 攪拌功率攪拌功率(Pg)2，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速N2。已知：發(fā)酵液：密度已知：發(fā)酵液：密度 1010Kg/M3，粘度，粘度 2.2510-3 Ns/M2； 小罐：小罐：(DT)1=0.375M, DT/Di=3，HL/DT，Wb/DT ，裝液量，裝液量62升，四片升，四片擋板，擋板，雙層雙層六彎葉渦輪攪拌槳。六彎葉渦輪攪拌槳。 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速

14、N1=350轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/min，通氣量，通氣量VVM=1M3/M3.min編輯ppt19李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering3322125 . 144)MDHDVTLTL（mWmDmHmHmDbiLT217. 0723. 0420. 5252. 3168. 2(HL/DT=1.5)(裝液量裝液量0.6)(DT/Di=3)(Wb/DT=0.1)編輯ppt20李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering 1）設(shè)）設(shè) ， 則則min./12121)()()(1)()(33

15、21212mmVVVMQVVMVVMLgconstVVM 編輯ppt21李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering 所以所以可見可見 (ws)2(ws)1，可能易引起液體夾帶和罐體震動。，可能易引起液體夾帶和罐體震動。hmmHVVMAAHVVMAVVVMAQwhmmDQwLLLgsTgs/75.33min/563. 0375. 05 . 11)()()()()()()()(/195min/25. 3168. 225. 01241)()(1111111111112222編輯ppt22李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物

16、化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering2 2）設(shè)）設(shè)( (w ws s) )2 2( (w ws s) )1 1constconst，已知，已知( (w ws s) )1 1，所以，所以 可見大罐很可能通氣不足?？梢姶蠊藓芸赡芡獠蛔?。 1233222332222)()(min./173. 012075. 2)()()(min/075. 2/5 .12475.3317. 225. 0)(41)(VVMVVMmmVQVVMmhmwDQLgstg編輯ppt23李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering取一經(jīng)驗數(shù)

17、據(jù)取一經(jīng)驗數(shù)據(jù) (ws)2 = 90m/h，（經(jīng)驗取值）這樣，（經(jīng)驗取值）這樣min./46. 01253. 5)()()(min/53. 5/33290168. 225. 041)(3322233222mmVQVVMmhmwDQLgstg可以接受的可以接受的VVM數(shù)值數(shù)值確定了通氣量確定了通氣量!編輯ppt24李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering 設(shè)設(shè)KLaconst (以以KLa為常數(shù)放大為常數(shù)放大) 1) 求求(KLa. 41025. 21010125. 0)60/350(ReLLiND編輯

18、ppt25李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering編輯ppt26李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering 所以無通氣的攪拌功率為所以無通氣的攪拌功率為)(0294. 04 .291010125. 0603508 . 48 . 45353101單層漿kwwDNPLi上式在上式在DT/Di=3, HL/DT比例下得出比例下得出編輯ppt27李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering校正校正1：幾何形

19、狀校正幾何形狀校正校正校正2：攪拌槳層數(shù)校正攪拌槳層數(shù)校正所以無通氣攪拌功率為所以無通氣攪拌功率為225. 1723. 0252. 3723. 0168. 231311iLiTDHDDf6 . 126 . 04 . 06 . 04 . 02mfkwPffP0574. 00294. 06 . 1225. 11012110編輯ppt28李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering有通氣時，有通氣時，所以所以可見，功率消耗只有無通氣時的可見，功率消耗只有無通氣時的35。 （）（） min/062. 01062. 0)()()(311mV

20、VMVQLgkwQNDPPgig0204. 0062. 0125. 03500574. 0157. 0157. 0)(45. 056. 03245. 056. 032101Michel 經(jīng)驗式經(jīng)驗式編輯ppt29李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemical Engineering已知已知 (ws)1，所以，所以 3066035075.33062. 00204. 0)28 . 22(86. 1)8 . 22(86. 1)(7 . 07 . 056. 07 . 07 . 056. 011NwVPmaKsgL多層攪拌槳的KLa求取經(jīng)驗公式編輯ppt30李強 化工系生化所 抗體與生物催化工程實驗室生物化學工程基礎(chǔ) Biochemi