發(fā)酵罐的比擬放大課件

第四章發(fā)酵罐的比擬放大實驗用反應(yīng)器生產(chǎn)用反應(yīng)器功率消耗不必考慮需認真對待反應(yīng)器內(nèi)空間控制檢測裝置占去一定空間無此影響混合特性可不必考慮需認真對待換熱系統(tǒng)較易解決較難解決小型和大型生物反應(yīng)器設(shè)計的不同點放大方法：經(jīng)驗放大法，因次分析法，時間常數(shù)法，數(shù)學模擬法，放大原則：重點解決主要矛盾氣體傳遞、混合；剪切敏感性；熱傳遞等。放大所需解決的主要參數(shù)：罐體參數(shù)、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率消耗等經(jīng)驗放大法：幾何相似放大恒定等體積功率放大單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同原則放大空氣線速度相同原則放大KLa/Kd值相同原則放大放大基準1、以kLa(或kd)為基準2、以P0/V相等為基準3、恒周線速度πND4、恒混合時間tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6)5、Q/H∝d/N液流循環(huán)量/液流速度壓頭歐洲發(fā)酵工業(yè)中的放大準則工業(yè)應(yīng)用的比例（%）所采用的經(jīng)驗放大準則30單位培養(yǎng)液體積消耗功率相等30kLa恒定20攪拌槳葉端速度恒定20氧分壓恒定一、幾何尺寸放大幾何相似原則：H1/D1=H2/D2=A放大倍數(shù)m=V2/V1m=V2/V1=π/4·D22·H2/(π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3D2/D1=m1/3，H2/H1=m1/3兩者的換算關(guān)系：P1V1/T1=P2V2/T2QgP/(273+t)=Q0(9.81×104)/273Qg=Q0(273+t)(9.81×104)/(273P)(m3/h)ωg＝Q0(60)(273+t)(9.81×104)/(π/4·D2(273)·P)＝27465.6Q0(273+t)/(PD2)＝27465.6(VVM)(VL)(273+t)/(PD2)(m/h)(1)VVM=ωgPD2/[27465.6(VL)(273+t)]

(m3.m-3.min-1)(2)Q0=ωgPD2/[27465.6(273+t)](m3.min-1)注：VL發(fā)酵液體積(m3)P液柱平均絕對壓力(Pa)P=(Pt+9.81×104)+9.81/2·HL·ρHL發(fā)酵罐液柱高度(m)Pt罐頂壓力表所指示的讀數(shù)(Pa)1、以單位培養(yǎng)液體積中空氣流量相同的原則放大依據(jù)式（1）得ωg∝(VVM)VL/(PD2)ωg∝(VVM)D3/(PD2)∝(VVM)D/P因為(VVM)2=(VVM)1所以(ωg)2/(ωg)1=D2/D1×P1/P22、以空氣直線速度相同的原則放大依據(jù)式（2）得VVM∝ωgPD2/VLVVM∝ωgP/D因為(ωg)2=(ωg)1

所以(VVM)2/(VVM)1=

P2/P1×D1/D2若V2/V1=125，D2=5D1,P2=1.5P1，則用上述三種不同方法計算發(fā)酵罐放大后的通氣量。放大方法VVM值ωg值放大前放大后放大前放大后VVM相同1？1？ωg相同1？1？kLa相同1？1？若V2/V1=125，D2=5D1,P2=1.5P1，則用上述三種不同方法計算放大后的通氣量結(jié)果如下表。放大方法VVM值ωg值放大前放大后放大前放大后VVM相同1113.33ωg相同10.311kLa相同10.51311.714、以氧分壓為推動力的體積溶氧系數(shù)kd相等原則放大（1）福田修雄修正式

kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9m：攪拌渦輪的個數(shù)

kd∝(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7（1）

得kd∝(N2.73d2.01/ωg0.03)0.56ωg0.7N0.7kd∝N2.23d1.13ωg0.68?依據(jù)(kd)2=(kd)1相等原則放大，則：N2/N1=(d1/d2)0.51[(ωg)1/(ωg)2]0.30P2/P1=(d2/d1)3.47[(ωg)1/(ωg)2]0.9例題4.1枯草芽孢桿菌在100L罐中進行α-淀粉酶生產(chǎn)試驗，獲得良好成績。放大至20m3罐。此發(fā)酵醪接近牛頓型流體，其中懸浮固體與懸浮液總?cè)莘e之比Φ＝0.1，35℃時濾液粘度μ0=1.55×10-3N·s/m2。醪液粘度μ＝（μ＋4.5φ）＝2.25×10-3N·s/m2。醪液密度ρ＝1010kg/m3。試驗罐D(zhuǎn)=375mmd=125mmD/d=3，H/D=2.4,HL/D=1.5四塊垂直擋板，B/D=0.1裝液60L，通氣流率1.0VVM（罐內(nèi)狀態(tài)下的體積流率）攪拌渦輪為兩只園盤六彎葉渦輪，N=350r/min通過試驗，認為此菌株是高耗氧速率菌，體系對剪率較不敏感。試按等kd值進行比擬放大，并總結(jié)放大結(jié)果。解：1．

計算試驗罐的亞硫酸鹽氧化法kd值ReM=Nd2ρ/μ＝350/60×0.1252×1010/(2.25×10-3)

=4.14×104屬充分湍流狀態(tài)：Np=4.7雙渦輪攪拌器功率：P=2×NpN3d5ρ=2×4.7×(350/60)3×0.1255×1010=58.6W=0.0586KWPg=2.25×10-3×(P2Nd3/Q0.08)0.39=2.25×10-3×(0.0582×350×12.53/600000.08)0.39=0.033kWωg＝Qg/(π/4·D2)＝0.06/(3.14/4×0.3752)=0.546m/min=54.6cm/min

kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)例題4.13.決定通氣量按幾何相似原則放大設(shè)備，如果以VVM表示的通氣流率相等，則放大罐的ωg比原型罐的ωg要顯著增大（（ωg）2/（ωg）1=D2/D1×P1/P2）。過大的ωg將造成太多的泡沫和逃液，一般設(shè)計放大罐的ωg取值為150cm/min。Q=π/4·D2ωg/100=π/4×(2.162)2×1.50=5.49m3/minVVM=5.49/12=0.464.按kd相等準則決定大罐的攪拌器轉(zhuǎn)速及攪拌功率依據(jù)福田修雄修正式：kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9由于幾何相似，V∝d3，則

kd∝(Pg/d3)0.56ωg0.7N0.7因Pg=2.25×10-3×(P2Nd3/Q0.08)0.39,P=2×NpN3d5ρ則Pg∝[(N3d5)2Nd3/Q0.08]0.39∝N2.73d5.07/Q0.0312kd∝[(N2.73d5.07/Q0.0312)/d3]0.56ωg0.7N0.7

∝N2.229d1.159ωg0.7/Q0.0175

∝N2.229d1.159ωg0.7/(d2ωg)0.0175

∝N2.229d1.124ωg0.6825依據(jù)kd相等原則，推出N22.229d21.124ωg20.6825=N12.229d11.124ωg10.6825則N22.229×0.721.124×1500.6825

=3502.229×0.1251.124×54.60.6825N2=106r/minP=2×NpN3d5ρ=2×4.7×(106/60)3×0.725×1010=10129W=10.1kWPg=2.25×103×(P2Nd3/Q0.08)0.39

=2.25×103×(10.12×106×723÷54900000.08)0.39Pg=7.73kW三、攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)速的放大1、以單位培養(yǎng)液體積所消耗的功率相等原則放大此時，P2/V2=P1/V1

因為P∝N3d5，V∝D3∝d3P/V∝N3d2

所以

(N3d2)2/(N3d2)1=1N2/N1=(d1/d2)2/3P2/P1=(d2/d1)3

2、以單位體積培養(yǎng)液所消耗的通氣功率相同原則放大此時Pg2/V2=Pg1/V1

因為P＝NpN3d5ρ∝N3d5，Qg＝0.785×D2ωg∝d2ωgMichel修正式Pg=2.25×10-3×(P2Nd3/Q0.08)0.39Pg∝[(N3d5)2Nd3/(d2ωg)0.08]0.39∝N2.73d5.01/ωg0.03Pg/V∝N2.73d2.01/ωg0.03故N2/N1=(d1/d2)0.736[(ωg)2/(ωg)1]0.01P2/P1=(d2/d1)2.792[(ωg)2/(ωg)1]0.03對幾何相似的罐，(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當P1/V1=P2/V2時，N2/N1=(d1/d2)2/3，(tM)2/(tM)1=(d2/d1)4/9(d2/d1)1/6＝(d2/d1)11/18發(fā)酵罐放大，混合時間延長！體積放大125倍，混合時間增大2.67倍。五、周線速度在P/V相等的條件下，d/D比越小，攪拌葉輪尖端線速度（πdN）越大，剪切率也越大，混合時間tM急劇延長。因為P/V∝N3d5/D3，P2/V2=P1/V1→N23d25/D23＝N13d15/D13→N2/N1=(d1/d2)5/3D2/D1→(πdN)2/(πdN)1=(d1/d2)2/3D2/D1

(πdN)2/(πdN)1=(d1/d2)2/3D2/D1若D2=D1,d2＜d1,則(πdN)2/(πdN)1＞1若發(fā)酵罐體積放大(D2>D1)，d2/D2＜d1/D1則(πdN)2/(πdN)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)1/3>1相同體積發(fā)酵罐發(fā)酵罐體積放大Ft=tM(Nd2)2/3·g1/6d1/2/（HL1/2D3/2）=常數(shù)(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當P1/V1=P2/V2時，N2/N1=(d1/d2)5/3D2/D1

(tM)2/(tM)1=(d1/d2)13/18(D2/D1)4/3若D2=D1，則(tM)2/(tM)1=(d1/d2)13/18＞1若發(fā)酵罐體積放大(D2>D1)，d2/D2＜d1/D1則(tM)2/(tM)1={(d1/D1)/(d2/D2)}13/18(D1/D2)13/18(D2/D1)2>(D2/D1)23/18＞1發(fā)酵罐放大，混合時間延長！體積放大125倍，混合時間增大倍數(shù)大于2.67倍。問題：過小的d/D比值，導(dǎo)致混合時間tM急劇延長，絲狀菌受剪切率影響明顯。六、攪拌液流速度壓頭（H）、攪拌液流循環(huán)量(Q)以及Q/H比值對比擬放大的意義攪拌液流速度壓頭(H)正比于渦輪周線速度的平方：H∝(πNd)2

H越大，液體的湍動程度越高，剪率越大，有利于菌絲團及氣泡的分散，有利于傳質(zhì)。攪拌液流循環(huán)量Q正比于渦輪的旋轉(zhuǎn)面積及周線速度：Q∝（πNd）(π/4d2)∝Nd3

Q越大，液體的循環(huán)越快，有利于混合和縮短混合時間。Qv=Q/V∝Nd3/D∝N增大N對提高溶氧更為有效，增大d對縮短混合時間更為有效。當P1/V1=P2/V2時，N2/N1=(d1/d2)2/3，Q/H∝d/N→(Q/H)2/(Q/H)1=(d2/d1)(d2/d1)2/3=(d2/d1)5/3

Qv/H∝1/(Nd2)→(Qv/H)2/(Qv/H)1=(d1/d2)2(d2/d1)2/3=(d1/d2)4/3

例題4.3小型霉菌發(fā)酵試驗罐。實驗證明本體系為溶氧速率控制，對剪率敏感。裝液量0.291m3罐直徑D=0.57m，HL=1.14m渦輪直徑d=0.228m，轉(zhuǎn)速377r／min兩只攪拌渦輪剪率增加超過50%是危險的要求將試驗罐放大100倍[解]既然體系為溶氧速率控制，對剪率敏感。故以P／V相等為放大準則，同時把Qv/H及πdN作為比較指標，保證剪率增大不粗過50％，同時混合時間不過分增長。小罐的主要特征：d1=0.228m，N1=377r/min,V1=0.291m3(Qv/H)1=k1×N×d3÷VL÷(N×d)2

=k1×0.228/(377×0.291)=2.08×10-3k1(πdN)1=3.14×0.228×377＝270m/min按P/V相等放大至30m3，幾何相似，則：V2/V1=(d2/d1)3→d2=1.06mP/V∝n3d2→n2=n1(d1/d2)2/3→n2=135.3r/minV2=30m3(Qv/H)2=k2×N×d3÷VL÷(N×d)2

=k2×1.06/(135.3×30)=2.61×10-4k2

(πdN)2=3.14×1.06×135.3＝450m/min幾何相似，或基本相似條件下，兩比例系數(shù)相等，k1=k2。(Qv