第五章 生化反应器的比拟放大

1、第第5 5章章 生物反应器的比拟放大生物反应器的比拟放大 主要内容：主要内容： 1 1、几何尺寸放大、几何尺寸放大 2 2、空气流量放大、空气流量放大 3 3、搅拌功率及搅拌转数的放大、搅拌功率及搅拌转数的放大重点：重点： 几种放大方法原理及参数变化。几种放大方法原理及参数变化。 在实验室里用小型设备进行科学实验，在实验室里用小型设备进行科学实验，获得了高的产量和效率，获得了高的产量和效率，如何在大型的如何在大型的生产规模设备里予以重现生产规模设备里予以重现，也就是大型，也就是大型设备的几何尺寸、功率、空气流量、搅设备的几何尺寸、功率、空气流量、搅拌转数都是怎样的才能拌转数都是怎样的才能再现小

2、型设备里再现小型设备里的好结果？的好结果？ 这就是比拟放大要解决的问题。这就是比拟放大要解决的问题。 生物反应器的比拟放大是生物工程中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。一般程，影响过程的参数和因素也较多。一般说来，说来，菌种的接入方式、菌龄、接种量、菌种的接入方式、菌龄、接种量、培养基组成、加料方式、培养基组成、加料方式、pHpH值、操作温度、值、操作

3、温度、罐压、溶氧速率、搅拌混合强度罐压、溶氧速率、搅拌混合强度等因素，等因素，都不同程度地影响细胞的反应过程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而实际影响生物过程的因素还远远不止这些，止这些，其中有一些虽已被认识，但目前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控制，有一些则还未被认识。 在现有科学技术水平上，还在现有科学技术水平上，还没有条件对所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、最重要的参数析，而只能选

4、择其中最关键、最重要的参数进行考虑进行考虑。这些参数有。这些参数有功率消耗功率消耗、溶氧系数、溶氧系数、桨尖速度桨尖速度等。等。 但但遗憾遗憾的是到今天为止，尚未得出一个的是到今天为止，尚未得出一个十分有效准确的十分有效准确的放大关联式放大关联式，所以生物反应，所以生物反应罐的罐的放大技术还处于经验和半经验状态放大技术还处于经验和半经验状态。本。本章讨论的放大是指在模型罐和生产罐之间以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几何相似原则为前提。在生物反应罐放大中，为前提。在生物反应罐放大中，主要解决放大后生产罐的主要解决放大后生产罐的空气流动、搅拌转空气流动、搅拌转速和搅拌功率消耗速

5、和搅拌功率消耗等问题上。等问题上。 本章重点讨论机械搅拌罐反应器的放大问题。本章重点讨论机械搅拌罐反应器的放大问题。5. 1 5. 1 几何尺寸放大几何尺寸放大 在反应罐的放大中，放大倍数实际上就是在反应罐的放大中，放大倍数实际上就是罐的罐的体积增加倍数体积增加倍数。 放大倍数放大倍数 m=V放大放大/V模型模型 一 般 要一 般 要 保 持 几 何 相 似保 持 几 何 相 似 的 原 则 ， 那 么的 原 则 ， 那 么 H1/D1=H2/D2=A(常数常数) V V2 2/V/V1 1=(D=(D2 2/D/D1 1) )3 3=m=m D2/D1=m1/3 (H2/H1)3=m H2/

6、H1= m1/35.2 5.2 空气流量放大空气流量放大 生物反应中空气流量一般生物反应中空气流量一般有两种表示方法有两种表示方法： 1 1以单位培养液体积在单位时间内通入以单位培养液体积在单位时间内通入的空气量的空气量VVMVVM（标准状态）来表示（标准状态）来表示 （m m3 3/ m/ m3 3 h h） 2 2以操作状态下的空气直线速度以操作状态下的空气直线速度VsVs表示，表示，m/minm/min 两种空气流量表示方式可以换算。两种空气流量表示方式可以换算。 下标下标0 0为标准状态为标准状态 , ,下标下标1 1为操作状态。为操作状态。 V1 = D2Vs1 ， V0 =（VVM

7、）VL VL ：反应液体积反应液体积 T0 =273 T1 =273+t P0 = 9.81104Pa P1 =PL (液柱平均绝对压力液柱平均绝对压力)根据气体定律：根据气体定律： P P0 0V V0 0/T/T0 0=P=P1 1V V1 1/T/T1 1 4标准状态标准状态操作状态操作状态 整理出整理出: : (VVM)= (VVMVVM) Vs1 PLD227465.6 VL(273+t)m m3 3/ m/ m3 3 minmin标准状态标准状态下面讨论下面讨论三种空气流量的放大方法三种空气流量的放大方法 : :(1)(1)以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大：以单位培养液体积

8、中空气流量相同的原则放大： (vvm)1=(vvm)2 Vs(vvm)VL/PD2 (vvm)D/PV Vs1 s1 P PL LD D2 2V VL LVs2Vs1=D2 D1P1P2, ,V Vs2s2可求可求 (2)(2)以以空气直线流速空气直线流速相同的原则放大相同的原则放大: VS1=VS2 (VVM) 2(VVM) 1=P 2P 1D 2D 1() 2VL1VL2=P 2P 1D 1D 2( (VVM) VVM) 2 2可求可求。因为因为V2/V1=(D2/D1)V2/V1=(D2/D1)3 3（3 3）以）以 K KLaLa 值相同的原则放大值相同的原则放大 Kd=(2.36+3

9、.30Ni) (Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9 式中有式中有PgPg、N N等等未定参数未定参数。 可考虑用可考虑用其它经验式，如其它经验式，如 Kla （ ） （HL）2/32/3 最后推导出：最后推导出：QVL（VVM）2（VVM）1=（ ） 2/32/3 D 1D 2P 2P 1 用不同的放大原则放大反应器的结果是用不同的放大原则放大反应器的结果是不同的不同的。举例如下：。举例如下： 若若V V2 2/V/V1 1=125, D=125, D2 2=5D=5D1 1,P,P2 2=1.5P=1.5P1 1, ,则用上述则用上述三种不同放大方法计算出来的空气量如三种不同放大方

10、法计算出来的空气量如表所示表所示： 放大放大125125倍时，不同放大判据的倍时，不同放大判据的vvmvvm和和VsVs值值 放大判据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 若若以以VVVVm m 相同原则放大相同原则放大，放大，放大125125倍后，倍后，VsVs增加了增加了 3.333.33倍，因倍，因气速太大，跑料可能严重，还容易使搅拌气速太大，跑料可能严重，还容易使搅拌器处于被空气所包围的状态器处于被空气所包围的状态，不能加强气液接触和搅，不能加强气液接触和搅拌液体的作用。若拌液体的作用。若以以VsVs相同方法

11、进行放大相同方法进行放大 ，则则VVmVVm值值在放大后仅为放大前的在放大后仅为放大前的30%30%。此值又过低。此值又过低。因此因此人们人们认为以认为以K KLaLa相同原则放大，其合理性大，放大后的相同原则放大，其合理性大，放大后的VVmVVm和和VsVs值比较适合。值比较适合。放大判据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放大放大125125倍时，不同放大判据的倍时，不同放大判据的vvmvvm和和VsVs值值5 5.3.3 搅拌功率及搅拌转数的放大搅拌功率及搅拌转数的放大 搅拌功率以及搅拌转数放大的方法很多，用于

12、搅拌功率以及搅拌转数放大的方法很多，用于发酵罐的发酵罐的三种放大方法如下：三种放大方法如下： （1 1）以）以单位体积培养液所消耗的功率相同单位体积培养液所消耗的功率相同原则原则放大放大 ( (Po/V)Po/V)1 1=(Po/V)=(Po/V)2 2 Rem=10 Rem=104 4-10-106 6 ,Np ,Np 不变不变 功率准数：功率准数：Np=Po/(NNp=Po/(N3 3D D5 5) ) PoNPoN3 3D D5 5 VDVD3 3 因此因此 Po/VNPo/VN3 3D D2 2 ，( ( N N3 3D D2 2) ) 1 1 = (= ( N N3 3D D2 2)

13、 ) 2 2 确定转数确定转数 N N2 2=N=N1 1(D(D1 1/D/D2 2) )2/3 2/3 （P P0 0）2 2 / / （P P0 0）1 1 =(N=(N2 2/N/N1 1) )3 3(D(D2 2/D/D1 1) )5 5 下标下标1 1是模型罐，下标是模型罐，下标2 2是放大罐。是放大罐。 （2 2）以单位培养液体积所消耗的通气功）以单位培养液体积所消耗的通气功率相同原则放大率相同原则放大 此时此时 ( (Pg/V)Pg/V)1 1=(Pg/V)=(Pg/V)2 2 Po=NpN Po=NpN3 3D D5 5 Np:Np:功率准数功率准数 Rem 10Rem 10

14、4 4 时时NpNp趋于常量趋于常量 PoNPoN3 3D D5 5 根据根据Michel Michel 计算计算 PgPg的公式的公式 Pg=C(PPg=C(Po o2 2NDND3 3/Q/Q0.560.56) )0.450.45 Pg(N3D5)2 ND3/(D2Vs)0.560.45 N3.15D5.346/Vs0.252 Pg/V= N3.15D2.346/Vs0.252 N2/N1=(D1/D2)0.745Vs2/Vs10.08 Pg2/Pg1= (N2/N1)3(D2/D1)5=(D2/D1)2.756Vs2/Vs10.24下标下标1 1为模型罐，下标为模型罐，下标2 2为放大罐

15、为放大罐 （3）以体积传质系数）以体积传质系数KLa相等的原则放大相等的原则放大 由于气液接触过程中，传质系数的由于气液接触过程中，传质系数的关联式较多关联式较多，以以福田秀雄的关联式为放大基准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*10-9KLa(Pg/V) 0 . 56Vs0.7N0.7因因Pg/V N3.15 D2.346 / Vs0.252KLa N2.45 Vs0 . 56 D1.32按按 (KLa)2 =(KLa)1 原则原则N2 = N1 Vs1/(Vs)20.23 (D1/D2)0.533(pg)2 =(pg)1

16、Vs2/(Vs)10.067(D2/D1)3.667 除上述放大原则以外，还有两个原则需要考除上述放大原则以外，还有两个原则需要考虑：虑： （4 4）以恒定搅拌叶轮尖端线速度作为放大）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）原则（或者作为校正原则） 丝状菌丝状菌受剪率受剪率，特别是搅拌叶轮尖端线，特别是搅拌叶轮尖端线速度速度的影响较为明显的影响较为明显。如果仅仅保持。如果仅仅保持K KLaLa相相等或者等或者Po/VPo/V相等，相等，可能导致严重的失误可能导致严重的失误。一。一般 认 为 搅 拌 桨 叶 端 速 度 的般 认 为 搅 拌 桨 叶 端 速 度 的 合 适 范 围

17、合 适 范 围 为为250500250500cm/scm/s （5 5）以恒定混合时间作为放大或者校正基准）以恒定混合时间作为放大或者校正基准 混合时间的定义是混合时间的定义是把少许具有与搅拌罐内的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液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两者达，两者达到到分子水平的均匀混合所需要的时间分子水平的均匀混合所需要的时间。 低粘度的液体低粘度的液体在小搅拌罐内的混合时间很短。在小搅拌罐内的混合时间很短。罐越大混合时间就越长罐越大混合时间就越长。 实际上实际上按等混合时间放大是很难做到的按等混合时间放大是很难做到的。因。因为要做到这一点为要做到这一点 ，放大

18、罐的涡轮转速要比小，放大罐的涡轮转速要比小罐提高很多。但作为一个罐提高很多。但作为一个校核指标校核指标，对某些，对某些体系确实必要。体系确实必要。 例如例如在一个大型的分批反应罐里，采用浓的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，反应器内时间可能长达数分钟，反应器内出现较大的出现较大的浓度梯度浓度梯度，这必然会影响宏观反应动力学，这必然会影响宏观反应动力学，可能可能导致反应速率下降导致反应速率下降。 恒混合时间恒混合时间指大罐的混合时间不要比小罐长指大罐的混合时间不要比小罐长太多。太多。 降低混合时间较合

19、理的措施是降低混合时间较合理的措施是增加进液点增加进液点。例如例如ICIICI公司用公司用1500 1500 m m3 3的的气升内环流反应器，以甲气升内环流反应器，以甲醇为原料连续生产醇为原料连续生产SCP SCP ，为了解决甲醇浓度的分布为了解决甲醇浓度的分布问题问题，在全反应器中采用，在全反应器中采用了了多达到多达到3 3千只进甲醇的千只进甲醇的喷嘴喷嘴，使得，使得稳态发酵液中稳态发酵液中的甲醇浓度保持为的甲醇浓度保持为2 2ppmppm。解除了甲醇对生产菌株的解除了甲醇对生产菌株的生长抑制。生长抑制。 需要指出的是需要指出的是各种放大方法各强调一个侧重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点，得出的结论往往