第五章 节 生化反应器的比拟放大 .ppt

第5章 生物反应器的比拟放大 ; 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 ;5.2 空气流量放大 ;(2)以空气直线流速相同的原则放大: VS1=VS2 ;（3）以 KLa 值相同的原则放大 ;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 ;若以VVm 相同原则放大，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。 ;5.3 搅拌功率及搅拌转数的放大;（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=NpρN3D5 Np:功率准数 Rem 104 时Np趋于常量 Po∝N3D5 根据Michel 计算 Pg的公式 Pg=C(Po2·ND3/Q0.56)0.45 ;Pg∝[(N3D5)2 ND3/(D2Vs)0.56]0.45 ∝ N3.15·D5.346/Vs0.252 Pg/V= N3.15·D2.346/Vs0.252 ∴ N2/N1=(D1/D2)0.745[Vs2/Vs1]0.08 Pg2/Pg1= (N2/N1)3·(D2/D1)5=(D2/D1)2.756[Vs2/Vs1]0.24 ;（3）以体积传质系数KLa相等的原则放大 由于气液接触过程中，传质系数的关联式较多，以福田秀雄的关联式为放大基准 Kd=(2.36+3.30Ni) · (Pg/V)0.56*Vs0.7*N0.7*10-9 ;除上述放大原则以外，还有两个原则需要考虑： （4）以恒定搅拌叶轮尖端线速度作为放大原则（或者作为校正原则） 丝状菌受剪率，特别是搅拌叶轮尖端线速度的影响较为明显。如果仅仅保持KLa相等或者Po/V相等，可能导致严重的失误。一般认为搅拌桨叶端速度的合适范围为250~500cm/s ;（5）以恒定混合时间作为放大或者校正基准 混合时间的定义是把少许具有与搅拌罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。 低粘度的液体在小搅拌罐内的混合时间很短。罐越大混合时间就越长。 实际上按等混合时间放大是很难做到的。因为要做到这一点 ，放大罐的涡轮转速要比小罐提高很多。但作为一个校核指标，对某些体系确实必要。;例如在一个大型的分批反应罐里，采用浓的基质流加培养，如果只有单点流加，则混合时间可能长达数分钟，反应器内出现较大的浓度梯度，这必然会影响宏观反应动力学，可能导致反应速率下降。 恒混合时间指大罐的混合时间不要比小罐长太多。 降低混合时间较合理的措施是增加进液点。;例如ICI公司用1500 m3的气升内环流反应器，以甲醇为原料连续生产SCP ，为了解决甲醇浓度的分布问题，在全反应器中采用了多达到3千只进甲醇的喷嘴，使得稳态发酵液中的甲醇浓度保持为2ppm。解除了甲醇对生产菌株的生长抑制。 ;;需要指出的是各种放大方法各强调一个侧重点，得出的结论往往有较大的差异。下表列出的是由10L 小罐（N=500r/min，通气1VVm）放大到10000L（放大1000倍）时，按照不同的放大准则所得出的结论，并以搅拌转速来进行比较。 放大方法的比较 ;按照不同准则放大，结果是放大后的反