反應(yīng)器比擬放大課件

第四章生物反應(yīng)器的放大生物反應(yīng)器放大的概念、目的和方法機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的比擬放大第一節(jié)生物反應(yīng)器放大的概念、目的和方法一、生物工程產(chǎn)品和設(shè)備研發(fā)的階段

①實(shí)驗(yàn)室階段②中試階段③工廠化規(guī)模①實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)行基本的生物細(xì)胞（菌種）的篩選和培養(yǎng)基的研究，確定該生物發(fā)酵技術(shù)工藝的可行性，初步選擇最優(yōu)的培養(yǎng)基配方和培養(yǎng)條件。通常在搖瓶培養(yǎng)或10～50L反應(yīng)器進(jìn)行②中試階段1）參考搖瓶的結(jié)果，用中小型的發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)行生物培養(yǎng)或發(fā)酵，進(jìn)一步確定最優(yōu)的培養(yǎng)基配方和培養(yǎng)條件；2）進(jìn)行環(huán)境因素的最佳操作條件的研究，以掌握細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)等特性；3）試驗(yàn)影響溶氧速率的因素及其關(guān)系，發(fā)酵熱及其降溫控制條件等反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)，為反應(yīng)器的工業(yè)化放大提供依據(jù)。大多用50～500L規(guī)模的發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)③工廠化規(guī)模依據(jù)第一、二階段取得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)模的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、修正，直至在商業(yè)化生產(chǎn)中，再現(xiàn)甚至超過研究水平，向社會(huì)化、產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)和產(chǎn)品，獲得社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)化反應(yīng)器20——2000m3不等，一般也需要逐級(jí)放大。二、生物反應(yīng)器的比擬放大1、概念：

在反應(yīng)器放大過程中，維持細(xì)胞生長(zhǎng)與生物反應(yīng)速率相似所謂生物反應(yīng)過程的放大，就是指以實(shí)驗(yàn)室或中試反應(yīng)器所取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)律為依據(jù)，設(shè)計(jì)、制造大規(guī)模的反應(yīng)器，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。2、生物反應(yīng)器比擬放大的復(fù)雜性

——生物反應(yīng)與一般化學(xué)反應(yīng)更復(fù)雜（1）對(duì)同一發(fā)酵生產(chǎn)使用不同規(guī)模的發(fā)酵罐中所進(jìn)行的生物反應(yīng)是相同的，但反應(yīng)溶液的混合狀態(tài)、傳質(zhì)與傳熱速率等不盡相同（2）生物發(fā)酵過程的復(fù)雜性遠(yuǎn)大于普通的化工過程，影響過程的參變數(shù)很多生物細(xì)胞的生長(zhǎng)、酶系的活力及細(xì)胞的生理特征等決定了反應(yīng)的復(fù)雜性。傳遞過程（質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞、熱量傳遞）是生物反應(yīng)器放大的核心。

（濃度梯度、壓強(qiáng)梯度）不同階段的相互關(guān)系

在生物反應(yīng)器的反應(yīng)系統(tǒng)中，存在3種不同類型的重要過程，即熱力學(xué)過程、微觀動(dòng)力學(xué)過程和傳遞過程。傳遞過程受系統(tǒng)規(guī)模的影響很大。不同階段的相互關(guān)系游離分散狀態(tài)的生物細(xì)胞的生長(zhǎng)與代謝產(chǎn)物的生成是環(huán)境條件（如基質(zhì)和生長(zhǎng)因子的濃度、PH、溫度等）的函數(shù)，這些是培養(yǎng)基的組成與環(huán)境因素，與反應(yīng)器的規(guī)模基本無關(guān)。隨著反應(yīng)器規(guī)模的改變，系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)量傳遞過程就相應(yīng)變化，尤其是攪拌器對(duì)生物細(xì)胞的攪拌剪切作用隨反應(yīng)器規(guī)模增大而增強(qiáng)，不僅影響細(xì)胞（團(tuán)）的分散狀態(tài)如絮凝、懸浮、結(jié)成團(tuán)塊等，而且嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使細(xì)胞本身產(chǎn)生剪切損傷作用。傳遞過程是放大的核心問題1、反應(yīng)溶液的混合狀態(tài)、傳質(zhì)與傳熱速率、攪拌器對(duì)生物細(xì)胞的剪切作用等與規(guī)模有很大關(guān)系。如果反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)條件不合理，則難以保證細(xì)胞生長(zhǎng)代謝的需要，也就不能再現(xiàn)研究成果。2、逐級(jí)放大的目的，是在不同規(guī)模下，再現(xiàn)或優(yōu)化這些條件。傳遞過程是放大的核心問題

生物反應(yīng)器的傳遞現(xiàn)象與過程受對(duì)流和擴(kuò)散兩個(gè)機(jī)理控制。對(duì)于對(duì)流傳遞過程，其時(shí)間常數(shù)為：

式中L——反應(yīng)器特征尺寸，m；

v——反應(yīng)溶液對(duì)流運(yùn)動(dòng)速度，m／s。對(duì)流傳遞過程液體流動(dòng)速度應(yīng)正比于反應(yīng)器大小，只有這樣才能維持時(shí)間常數(shù)不變。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，若維持反應(yīng)器在放大前后的傳遞時(shí)間常數(shù)tf與反應(yīng)轉(zhuǎn)化常數(shù)tc（tc為基質(zhì)濃度與反應(yīng)速度的比值）之比值恒定不變，則放大后反應(yīng)器的性能可維持不變。對(duì)于生物反應(yīng)，特別是對(duì)那些剪切敏感、易受損傷的細(xì)胞，則放大過程還必須檢測(cè)生物細(xì)胞對(duì)剪切作用的影響。擴(kuò)散傳遞過程時(shí)間常數(shù)

K——擴(kuò)散系數(shù)。

傳遞過程是放大的核心問題反應(yīng)器經(jīng)放大后，傳遞時(shí)間tf和tD明顯增大，而轉(zhuǎn)化常數(shù)tc大致維持不變。傳遞過程對(duì)反應(yīng)后的反應(yīng)器性能有重大影響小型生物反應(yīng)器往往表現(xiàn)為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式即反應(yīng)速度控制，而大型生物反應(yīng)系統(tǒng)則受傳遞現(xiàn)象控制，其原因是小型反應(yīng)裝置的tc＞tf（或tD），而大型反應(yīng)器的tc＜tf（或tD）。2.生物反應(yīng)器放大的目的任務(wù)應(yīng)用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，總結(jié)生物反應(yīng)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律及影響因素，重點(diǎn)研究解決有關(guān)的質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和熱量傳遞問題，以便在反應(yīng)器的放大過程中盡可能維持生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率、代謝產(chǎn)物的生成速率，這就是生物反應(yīng)器的放大目的。

概括：以實(shí)驗(yàn)室或中試反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定大規(guī)模反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸和操作參數(shù)。三、生物反應(yīng)器放大的方法（一）理論放大方法（二）半理論放大方法（三）因次分析法（四）經(jīng)驗(yàn)放大方法（一）理論放大方法在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立及求解反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量、質(zhì)量和能量平衡方程（建立數(shù)學(xué)模型），按建立起的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算放大。生物反應(yīng)器放大的步驟（1）在較寬的培養(yǎng)條件下對(duì)所使用的生物細(xì)胞種進(jìn)行試驗(yàn)，以掌握細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)等特性。（2）根據(jù)上述系列試驗(yàn)，確定該生物發(fā)酵的最優(yōu)的培養(yǎng)基配方和培養(yǎng)條件。（3）對(duì)有關(guān)的質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動(dòng)量傳遞等微觀衡算方程進(jìn)行求解，導(dǎo)出能表達(dá)反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境條件和主要操作變量之間的關(guān)系模型。應(yīng)用此數(shù)學(xué)模型，計(jì)算優(yōu)化條件下主要操作變量的取值。理論放大方法評(píng)價(jià)：此方法最系統(tǒng)又有科學(xué)理論，但研究這種放大方法是十分復(fù)雜的，目前很難在實(shí)際中應(yīng)用。個(gè)人觀點(diǎn)：更是一個(gè)理想發(fā)酵罐的理論放大（1）要應(yīng)用理論放大方法就必須解三維傳遞方程，且邊界條件十分復(fù)雜。（2）傳遞過程之間是偶聯(lián)的，即從動(dòng)量衡算方程求解的流動(dòng)分量必須用于質(zhì)量與熱量平衡方程的求解。（3）動(dòng)量衡算往往假定反應(yīng)系統(tǒng)為均相液體，但對(duì)通氣生物發(fā)酵，培養(yǎng)液中存在大量氣泡。發(fā)酵反應(yīng)器的理論放大

主要的問題是至今仍無法求解生物反應(yīng)系統(tǒng)中的動(dòng)量衡算方程。理論放大方法只能用于最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，例如發(fā)酵液是靜止的或流動(dòng)屬于滯流的系統(tǒng)，如某些固定化生物反應(yīng)器的放大。

（二）半理論放大方法對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，即選擇主要影響因素即主要因素的主要影響方面，建立數(shù)學(xué)方程，以得到反應(yīng)器放大的主要參數(shù)。對(duì)攪拌槽反應(yīng)器或鼓泡塔，已有不少流動(dòng)模型的研究進(jìn)展，其共同點(diǎn)是只考慮液流主體的流動(dòng)，而忽略局部如攪拌葉輪或罐壁附近的復(fù)雜流動(dòng)。其流型有三類即活塞流、帶液體微元分散的活塞流和完全混合流動(dòng)等。

評(píng)價(jià)半理論方法是生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大最普遍的實(shí)驗(yàn)研究方法。但是，液流主體模型通常只能在小型實(shí)驗(yàn)規(guī)模發(fā)酵反應(yīng)器（5～30L）中獲得的，并非利用大規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)所得的真實(shí)結(jié)果，故使用此法進(jìn)行放大有一定的風(fēng)險(xiǎn)，必須通過實(shí)際發(fā)酵過程進(jìn)行檢驗(yàn)校正。

（三）因次分析法所謂因次分析放大法就是在放大過程中，維持生物發(fā)酵系統(tǒng)參數(shù)構(gòu)成的無因次數(shù)群（稱為準(zhǔn)數(shù)）恒定不變。把反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)量、質(zhì)量、熱量衡算以及有關(guān)的邊界條件、初始條件以無因次形式寫出用于放大過程，這就是因次分析放大。要在過程分析得到有一定物理意義的準(zhǔn)數(shù)并非易事，有時(shí)衡算方程也無法建立。盡管因次分析法的應(yīng)用有嚴(yán)格的限制，但此法還是十分有用。應(yīng)用因次分析進(jìn)行反應(yīng)器放大從原理上講，準(zhǔn)數(shù)一經(jīng)獲得，進(jìn)行生物反應(yīng)器的放大就簡(jiǎn)單了，只要對(duì)小型實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)裝置及大型生產(chǎn)系統(tǒng)的同一準(zhǔn)數(shù)取相等數(shù)值就可以了。

實(shí)際上卻并不那樣簡(jiǎn)單，雖然均相系統(tǒng)的流動(dòng)問題較易解決，但對(duì)于有傳質(zhì)和傳熱同時(shí)進(jìn)行的系統(tǒng)或非均質(zhì)流動(dòng)系統(tǒng)，問題就變得復(fù)雜了。

生物反應(yīng)器的因次分析放大過程

因次分析法在以因次分析法進(jìn)行生物反應(yīng)器的放大時(shí)，必須先根據(jù)具體情況，進(jìn)行系統(tǒng)的模式分析，找出控制該反應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)理，然后進(jìn)行放大，切勿生搬硬套。

準(zhǔn)數(shù)的構(gòu)成

對(duì)因次分析放大法，準(zhǔn)數(shù)的合理構(gòu)建是關(guān)鍵，而相關(guān)參數(shù)的確定是首要步驟。生物反應(yīng)系統(tǒng)常用的參變量可分成4大類，即：（1）幾何參數(shù)D、H、dp

（2）物理化學(xué)參數(shù)ρ、μ、σ

（3）過程變量N、P0、VL

（4）常數(shù)g、R（氣體常數(shù)）

準(zhǔn)數(shù)的構(gòu)成準(zhǔn)數(shù)構(gòu)成需要經(jīng)驗(yàn)和直覺的結(jié)合。如果參數(shù)選得太多，則其中一部分可能是無關(guān)的或影響甚微的參數(shù)，已組成的準(zhǔn)數(shù)太多就無法進(jìn)行放大。若漏選了重要參數(shù)，就會(huì)妨礙準(zhǔn)數(shù)的正確構(gòu)成，系統(tǒng)的放大也成問題。故必須對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定起主導(dǎo)作用的機(jī)理，忽略無關(guān)的參數(shù)，稱此過程為模式分析。模式分析所謂模式分析，就是分析、確定系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的機(jī)理，也就是確定反應(yīng)系統(tǒng)是反應(yīng)控制或是傳質(zhì)控制還是其他控制（如混合控制）。模式分析在模式分析中，必須解決好3個(gè)問題：①該系統(tǒng)是否由單個(gè)機(jī)理控制？②起關(guān)鍵作用的是何模式？③反應(yīng)器規(guī)模改變時(shí)，此機(jī)理將如何變化？進(jìn)行模式分析有多種方法，可分成實(shí)驗(yàn)方法和理論方法兩大類（四）經(jīng)驗(yàn)放大方法

以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，按照主導(dǎo)因素相等或接近的原則進(jìn)行放大的方法。通氣發(fā)酵罐放大準(zhǔn)則放大準(zhǔn)則所占比例放大準(zhǔn)則所占比例維持P0/V不變維持kLα不變30%30%維持?jǐn)嚢杵魅~端速度不變維持培養(yǎng)液溶氧濃度不變20%20%第二節(jié)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的比擬放大一、放大設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法

1、幾何尺寸放大：按與試驗(yàn)罐幾何相似方法計(jì)算放大后反應(yīng)器的幾何尺寸。包括：罐體、攪拌器等。

2、按溶氧性能指標(biāo)相同原則放大

——按體積溶氧系數(shù)相同原則放大

對(duì)牛頓性流體、高耗氧發(fā)酵（細(xì)菌發(fā)酵、酵母發(fā)酵）

3、按單位體積攪拌功率相同、并兼顧剪切應(yīng)力對(duì)細(xì)胞的損傷的放大原則進(jìn)行放大。對(duì)非牛頓性流體、剪切力敏感的高耗氧發(fā)酵（絲狀菌體發(fā)酵等）二、放大計(jì)算程序明確試驗(yàn)條件和結(jié)果，明確放大要求和放大依據(jù)計(jì)算試驗(yàn)條件下的P0、Pg、Kd、V線，按幾何相似計(jì)算大罐的幾何尺寸按經(jīng)驗(yàn)選擇通氣空截流速vs（1.7—2m/min)，根據(jù)P0、Pg、Kd關(guān)系式，按Kd或P0/VL相等，求解大罐的轉(zhuǎn)速N對(duì)于絲狀菌絲體或?qū)嚢杓羟忻舾械纳锓磻?yīng)，還要根據(jù)攪拌葉尖線速度調(diào)整N與Di，使Kd和V線均能符合要求。列出放大前后對(duì)照表。三、以體積溶氧系數(shù)kLα或kd相等為基準(zhǔn)的放大法

（一）適用狀況

許多好氧發(fā)酵，特別是生物細(xì)胞濃度較高時(shí)耗氧很快，故溶氧速率是否能滿足生物細(xì)胞的代謝與生長(zhǎng)就成為生物發(fā)酵生產(chǎn)的限制性因素。生物發(fā)酵的耗氧速率可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)踐證明，高好氧發(fā)酵應(yīng)用等kLα的原則進(jìn)行反應(yīng)器放大通?？色@得良好結(jié)果（二）主要參數(shù)及計(jì)算公式

不通氣的攪拌功率通氣攪拌功率循環(huán)時(shí)間循環(huán)速率攪拌器泵送能力混合時(shí)間體積溶氧系數(shù)（三）放大步驟（l）計(jì)算試驗(yàn)罐的kd值：

求攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)→判斷發(fā)酵系統(tǒng)狀態(tài)→功率系數(shù)NP→求不通氣時(shí)攪拌功率→通氣時(shí)攪拌功率→根據(jù)空截面氣速算出試驗(yàn)罐的溶氧系數(shù)kd（2）按幾何相似原則確定試驗(yàn)罐的尺寸（3）確定大罐的通氣流速vs，計(jì)算通風(fēng)強(qiáng)度（4）按kd相等原則計(jì)算放大罐的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌軸功率（5）將計(jì)算結(jié)果列成表放大步驟盡管試驗(yàn)罐和放大罐的溶氧系數(shù)相同，其幾何尺寸也相似，但經(jīng)放大后，大罐的通氣強(qiáng)度和攪拌轉(zhuǎn)速均大大下降。四、以P0/VL相等的準(zhǔn)則進(jìn)行反應(yīng)器放大（一）適用范圍：對(duì)于溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的非牛頓型發(fā)酵液，把P0／VL相等準(zhǔn)則用于反應(yīng)器的放大通常可獲得良好結(jié)果。

（二）相關(guān)公式據(jù)P0／VL相等原則，（P0／VL）1=（P0／VL）2

放大步驟按幾何相似確定尺寸計(jì)算放大罐的轉(zhuǎn)速；選擇適當(dāng)?shù)耐馑俾?，?jì)算放大罐的軸攪拌功率；計(jì)算放大罐的溶氧系數(shù)

比較兩種方法的計(jì)算結(jié)果兩種方法使用的發(fā)酵類型（三）以攪拌葉尖線速度（πDN）相等的準(zhǔn)則進(jìn)行機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的放大

用途：

絲狀菌受攪拌剪切的影響較明顯，而攪拌葉尖線速度（πDN）是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。若僅僅維持kLα（或kd）或P0/V相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導(dǎo)致放大設(shè)計(jì)失誤。需要用攪拌葉尖線速度（πDN）相等或接近的原則調(diào)整D、N，并同時(shí)達(dá)到P0/VL、kd相等或接近。兩種情況：剪切力不夠；剪切力過大通常，對(duì)大多數(shù)的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度宜取2.5～5m／s。相關(guān)公式

V=πDN在保證P0/VL、kd相等的情況下，調(diào)整V（D、N）根據(jù)上述公式進(jìn)行D、N調(diào)整。(四）以混合時(shí)間相等的準(zhǔn)則進(jìn)行放大所謂反應(yīng)器的混合時(shí)間，就是往發(fā)酵反應(yīng)器液體中瞬間加入某種指示液體，使這兩種液體達(dá)到分子水平均勻混合所需要的時(shí)間。發(fā)酵反應(yīng)器越小，液體的粘度越低，在同一攪拌強(qiáng)度下其混合時(shí)間則越短。隨著發(fā)酵罐規(guī)模的增大，混合時(shí)間將越來越長(zhǎng)。對(duì)大型發(fā)酵罐的通氣溶氧和基質(zhì)流加，混合時(shí)間和混合的均勻性是十分重要的?；旌蠒r(shí)間是發(fā)酵罐幾何尺寸、攪拌葉輪設(shè)計(jì)、操作條件以及發(fā)酵液流變特性的函數(shù)。以混合時(shí)間相等的準(zhǔn)則進(jìn)行放大若按混合時(shí)間相等進(jìn)行放大，對(duì)于大型發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)是不可能的。對(duì)于機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐，若維持混合時(shí)間不變，則攪拌葉輪直徑與罐徑之比必然隨罐規(guī)模放大而增加，這樣不僅使溶氧傳質(zhì)效率下降，而且葉尖線速度將過高而加劇對(duì)生物細(xì)胞的損傷作用，因而用混合時(shí)間不變的原則是不適宜的。但實(shí)踐證明，在發(fā)酵罐放大設(shè)計(jì)過程中，以混合時(shí)間作為校核的準(zhǔn)則是十分有用的。以混合時(shí)間相等的準(zhǔn)則進(jìn)行放大當(dāng)Re＞105時(shí)，有：

ft——混合時(shí)間函數(shù)；

tM——混合時(shí)間，s；

n——攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；

Di——攪拌葉輪直徑，m；

D——發(fā)酵反應(yīng)器直徑，m；

HL——罐內(nèi)液體深度，m；

g——重力加速度常數(shù)，9.81m/s2?；旌蠒r(shí)間函數(shù)ft與Re關(guān)系

(四）以混合時(shí)間相等的準(zhǔn)