第五章 生化反應(yīng)器的比擬放大

第五章生化反應(yīng)器的比擬放大第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

生物反應(yīng)器的比擬放大是生物工程中一個重要課題。比擬放大法在化學(xué)工業(yè)和生物產(chǎn)業(yè)已經(jīng)獲得很多成功的例子，相對而言，生物反應(yīng)過程復(fù)雜性遠(yuǎn)大于化工過程，影響過程的參數(shù)和因素也較多。一般說來，菌種的接入方式、菌齡、接種量、培養(yǎng)基組成、加料方式、pH值、操作溫度、罐壓、溶氧速率、攪拌混合強度等因素，都不同程度地影響細(xì)胞的反應(yīng)過程。而實際影響生物過程的因素還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，其中有一些雖已被認(rèn)識，但目前的科學(xué)實驗水平尚還不能對它進(jìn)行測量和控制，有一些則還未被認(rèn)識。第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三

在現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)水平上，還沒有條件對所有因素的影響進(jìn)行綜合全面的考慮和綜合分析，而只能選擇其中最關(guān)鍵、最重要的參數(shù)進(jìn)行考慮。這些參數(shù)有功率消耗、溶氧系數(shù)、槳尖速度等。但遺憾的是到今天為止，尚未得出一個十分有效準(zhǔn)確的放大關(guān)聯(lián)式，所以生物反應(yīng)罐的放大技術(shù)還處于經(jīng)驗和半經(jīng)驗狀態(tài)。本章討論的放大是指在模型罐和生產(chǎn)罐之間以幾何相似原則為前提。在生物反應(yīng)罐放大中，主要解決放大后生產(chǎn)罐的空氣流動、攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率消耗等問題上。本章重點討論機械攪拌罐反應(yīng)器的放大問題。第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三5.1幾何尺寸放大

在反應(yīng)罐的放大中，放大倍數(shù)實際上就是罐的體積增加倍數(shù)。放大倍數(shù)m=V放大/V模型一般要保持幾何相似的原則，那么H1/D1=H2/D2=A(常數(shù))

V2/V1=(D2/D1)3=mD2/D1=m1/3(H2/H1)3=mH2/H1=m1/3第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三5.2空氣流量放大

生物反應(yīng)中空氣流量一般有兩種表示方法：

1．以單位培養(yǎng)液體積在單位時間內(nèi)通入的空氣量VVM（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）來表示（m3/m3·

h）2．以操作狀態(tài)下的空氣直線速度Vs表示，m/min兩種空氣流量表示方式可以換算。第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三下標(biāo)0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),下標(biāo)1為操作狀態(tài)。V1=D2Vs1，V0=（VVM）VLVL

：反應(yīng)液體積T0=273T1=273+tP0=

9.81×104PaP1=PL(液柱平均絕對壓力)根據(jù)氣體定律：P0V0/T0=P1V1/T1

π4標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)操作狀態(tài)第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三整理出:

(VVM)=(VVM)∝Vs1PLD227465.6VL(273+t)m3/m3·

min標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下面討論三種空氣流量的放大方法:(1)以單位培養(yǎng)液體積中空氣流量相同的原則放大：(vvm)1=(vvm)2

Vs∝(vvm)VL/PD2∝(vvm)D/PVs1PLD2VLVs2Vs1=D2

D1P1P2,Vs2可求第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三(2)以空氣直線流速相同的原則放大:

VS1=VS2

(VVM)2(VVM)1=P2P1D2D1()2VL1VL2=P2P1D1D2(VVM)2可求。因為V2/V1=(D2/D1)3第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三（3）以KLa

值相同的原則放大

Kd=(2.36+3.30Ni)·(Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9式中有Pg、N等未定參數(shù)?？煽紤]用其它經(jīng)驗式，如Kla∝（）（HL）2/3

最后推導(dǎo)出：QVL（VVM）2（VVM）1=（）

2/3

D1D2P2P1第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三用不同的放大原則放大反應(yīng)器的結(jié)果是不同的。舉例如下：若V2/V1=125,D2=5D1,P2=1.5P1,則用上述三種不同放大方法計算出來的空氣量如表所示：放大125倍時，不同放大判據(jù)的vvm和Vs值

放大判據(jù)VVmVs值放大前放大后放大前放大后VVm相同1113.33Vs相同10.311

KLa相同10.51311.71第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三若以VVm

相同原則放大，放大125倍后，Vs增加了3.33倍，因氣速太大，跑料可能嚴(yán)重，還容易使攪拌器處于被空氣所包圍的狀態(tài)，不能加強氣液接觸和攪拌液體的作用。若以Vs相同方法進(jìn)行放大，則VVm值在放大后僅為放大前的30%。此值又過低。因此人們認(rèn)為以KLa相同原則放大，其合理性大，放大后的VVm和Vs值比較適合。放大判據(jù)VVmVs值放大前放大后放大前放大后VVm相同1113.33Vs相同10.311

KLa相同10.51311.71放大125倍時，不同放大判據(jù)的vvm和Vs值第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三5.3

攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)數(shù)的放大攪拌功率以及攪拌轉(zhuǎn)數(shù)放大的方法很多，用于發(fā)酵罐的三種放大方法如下：（1）以單位體積培養(yǎng)液所消耗的功率相同原則放大(Po/V)1=(Po/V)2Rem=104-106,Np不變功率準(zhǔn)數(shù)：Np=Po/(ρN3D5)∴Po∝N3D5V∝D3因此Po/V∝N3D2

，(

N3D2)1

=(

N3D2)2

∴確定轉(zhuǎn)數(shù)N2=N1(D1/D2)2/3

（P0）2/（P0）1=(N2/N1)3(D2/D1)5

下標(biāo)1是模型罐，下標(biāo)2是放大罐。第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三（2）以單位培養(yǎng)液體積所消耗的通氣功率相同原則放大

此時(Pg/V)1=(Pg/V)2∵Po=NpρN3D5Np:功率準(zhǔn)數(shù)Rem>104

時Np趨于常量

Po∝N3D5根據(jù)Michel計算Pg的公式Pg=C(Po2·ND3/Q0.56)0.45第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三Pg∝[(N3D5)2ND3/(D2Vs)0.56]0.45

∝N3.15·D5.346/Vs0.252Pg/V=N3.15·D2.346/Vs0.252∴N2/N1=(D1/D2)0.745[Vs2/Vs1]0.08Pg2/Pg1=(N2/N1)3·(D2/D1)5=(D2/D1)2.756[Vs2/Vs1]0.24下標(biāo)1為模型罐，下標(biāo)2為放大罐第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三（3）以體積傳質(zhì)系數(shù)KLa相等的原則放大

由于氣液接觸過程中，傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式較多，以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為放大基準(zhǔn)

Kd=(2.36+3.30Ni)·(Pg/V)0.56*Vs0.7*N0.7*10-9KLa∝(Pg/V)0.

56Vs0.7N0.7因Pg/V

∝N3.15·D2.346/Vs0.252KLa∝N2.45Vs0.56D1.32按(KLa)2=(KLa)1

原則N2=

N1[Vs]1/(Vs)2]0.23(D1/D2)0.533(pg)2=(pg)1[Vs]2/(Vs)1]0.067(D2/D1)3.667第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三除上述放大原則以外，還有兩個原則需要考慮：（4）以恒定攪拌葉輪尖端線速度作為放大原則（或者作為校正原則）絲狀菌受剪率，特別是攪拌葉輪尖端線速度的影響較為明顯。如果僅僅保持KLa相等或者Po/V相等，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的失誤。一般認(rèn)為攪拌槳葉端速度的合適范圍為250~500cm/s

第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三（5）以恒定混合時間作為放大或者校正基準(zhǔn)混合時間的定義是把少許具有與攪拌罐內(nèi)的液體相同物性的液體注入攪拌罐內(nèi)，兩者達(dá)到分子水平的均勻混合所需要的時間。低粘度的液體在小攪拌罐內(nèi)的混合時間很短。罐越大混合時間就越長。實際上按等混合時間放大是很難做到的。因為要做到這一點，放大罐的渦輪轉(zhuǎn)速要比小罐提高很多。但作為一個校核指標(biāo)，對某些體系確實必要。第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三例如在一個大型的分批反應(yīng)罐里，采用濃的基質(zhì)流加培養(yǎng)，如果只有單點流加，則混合時間可能長達(dá)數(shù)分鐘，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)較大的濃度梯度，這必然會影響宏觀反應(yīng)動力學(xué)，可能導(dǎo)致反應(yīng)速率下降。恒混合時間指大罐的混合時間不要比小罐長太多。降低混合時間較合理的措施是增加進(jìn)液點。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三例如ICI公司用1500m3的氣升內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，以甲醇為原料連續(xù)生產(chǎn)SCP，為了解決甲醇濃度的分布問題，在全反應(yīng)器中采用了多達(dá)到3千只進(jìn)甲醇的噴嘴，使得穩(wěn)態(tài)發(fā)酵液中的甲醇濃度保持為2ppm。解除了甲醇對生產(chǎn)菌株的生長抑制。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三需要指出的是各種放大方法各強調(diào)一個側(cè)重點，得出的結(jié)論往往有較大的差異。下表列出的是由10L小罐（N=500r/min，通氣1VVm）放大到10000L（放大1000倍）時，按照不同的放大準(zhǔn)則所得出的結(jié)論，并以攪拌轉(zhuǎn)速來進(jìn)行比較。放大方法的比較方法放大后轉(zhuǎn)數(shù)，r/min方法放大后轉(zhuǎn)數(shù)，r/min等體積功率

等傳質(zhì)系數(shù)79非通氣Po/V相等107等葉端速度50通氣Pg/V相等85等混合時間1260第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三按照不同準(zhǔn)則放大，結(jié)果是放大后的反應(yīng)器操作條件不一樣，這說明放大中選用什么準(zhǔn)則是最重要的，這要根據(jù)放大體系的特點而確