发酵罐的比拟放大PPT演示文稿

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1、1第四章 发酵罐的比拟放大项目实验用反应器生产用反应器功率消耗不必考虑需认真对待反应器内空间控制检测装置占去一定空间无此影响混合特性可不必考虑需认真对待换热系统较易解决较难解决小型和大型生物反应器设计的不同点2 放大方法：经验放大法，因次分析法，时间常数法，数学模拟法，放大原则：重点解决主要矛盾 气体传递、混合；剪切敏感性；热传递等。放大所需解决的主要参数：罐体参数、空气流量、搅拌转速和搅拌功率消耗等3 经验放大法：经验放大法：几何相似放大几何相似放大恒定等体积功率放大恒定等体积功率放大单位培养液体积的空气流量相同原则放大单位培养液体积的空气流量相同原则放大空气线速度相同原则放大空气线速度相同

2、原则放大KLa/Kd值相同原则放大值相同原则放大4 因次分析法：保持无因次准数相等原则放大 Re，Nu，Da，Pez 时间常数法：某一变量与其变化速率之比反应时间 tr=C/r r 反应速率扩散时间 tD=L2/Dz混合时间 tm=Tm/n 数学模拟法：5放大基准1、以kLa(或kd)为基准2、以P0/V相等为基准3、恒周线速度 ND4、恒混合时间 tmHL1/2D3/2/(N2/3d11/6)5、Q/H d/N 液流循环量/液流速度压头6欧洲发酵工业中的放大准则工业应用的比例（%）所采用的经验放大准则30单位培养液体积消耗功率相等30kLa恒定20搅拌桨叶端速度恒定20氧分压恒定7一、几何尺

3、寸放大 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A 放大倍数m=V2/V1 m=V2/V1=/4D22H2/(/4D12H1)(D2/D1)3 D2/D1=m1/3，H2/H1=m1/38二、空气流量放大 空气流量表示方法：（1）单位体积培养液在单位时间内通入的空气量（以标准状态计），即Q0/VL=VVM m3/(m3.min)（2）操作状态下的空气直线速度空气直线速度（g，m/h)）9两者的换算关系：P1V1/T1=P2V2/T2QgP/(273+t)=Q0(9.81104)/273Qg=Q0(273+t)(9.81104)/(273P)(m3/h)gQ0(60)(273+t)(9.81104

4、)/(/4D2(273)P)27465.6 Q0(273+t)/(PD2)27465.6(VVM)(VL)(273+t)/(PD2)(m/h)(1)VVM=gPD2/27465.6(VL)(273+t)(m3.m-3.min-1)(2)10Q0=gPD2/27465.6(273+t)(m3.min-1)注：VL 发酵液体积(m3)P 液柱平均绝对压力(Pa)P=(Pt+9.81 104)+9.81/2HL HL发酵罐液柱高度(m)Pt 罐顶压力表所指示的读数(Pa)11 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大 依据式（1）得g(VVM)VL/(PD2)g(VVM)D3/(PD2)(VVM

5、)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(g)2/(g)1=D2/D1P1/P2 2、以空气直线速度空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM g PD2/VL VVM g P/D 因为(g)2=(g)1 所以(VVM)2/(VVM)1=P2/P1D1/D212 3、以kLa值相同的原则放大 根据文献报导，kLa(Qg/VL)HL2/3，其中Qg为操作状态下的通气流量，VL为发酵液体积，HL为液柱高度。则 kLa2/kLa1=(Qg/VL)2(HL)22/3/(Qg/VL)1(HL)12/3=1 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1=(HL)12/3/(HL)22/3=(D1/D2)

6、2/3 因为QggD2，VD3 故(Qg/VL)2/(Qg/VL)1=(g/D)2/(g/D)1=(D1/D2)2/3 (g)2/(g)1=(D2/D1)1/3 又因g(VVM)VL/(PD2)(VVM)D/P 故(VVM)2/(VVM)1=(D1/D2)2/3(P2/P1)13若V2/V1=125，D2=5D1,P2=1.5P1，则用上述三种不同方法计算发酵罐放大后的通气量。放大方法VVM值 g值放大前放大后放大前放大后VVM相同1？1？g相同1？1？kLa相同1？1？14若V2/V1=125，D2=5D1,P2=1.5P1，则用上述三种不同方法计算放大后的通气量结果如下表。放大方法VVM值

7、 g值放大前放大后放大前放大后VVM相同1113.33 g相同10.311 kLa相同10.51311.7115 4、以氧分压为推动力的体积溶氧系数kd相等原则放大 （1）福田修雄修正式 kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9m：搅拌涡轮的个数 kd(Pg/V)0.56g0.7N0.7 （1）16（2）依据Michel修正式 P0=Np N3d5 V=/4D2 H Qg=/4D2g 所以 Pg/V(N3d5)2 Nd3/(D2g)0.08 0.39/(D2H)得Pg/V N2.73d2.01/g0.03，代入（1）式P02Nd3 Pg=2.25 Qg0.08

8、 0.39 10-3 17 得 kd(N2.73d2.01/g0.03)0.56g0.7N0.7 kd N2.23d1.13g0.68?依据(kd)2=(kd)1 相等原则放大，则：N2/N1=(d1/d2)0.51(g)1/(g)20.30 P2/P1=(d2/d1)3.47(g)1/(g)20.918例题4.1枯草芽孢杆菌在100L罐中进行-淀粉酶生产试验，获得良好成绩。放大至20m3罐。此发酵醪接近牛顿型流体，其中悬浮固体与悬浮液总容积之比0.1，35时滤液 粘度0=1.5510-3Ns/m2。醪液粘度（4.5）2.2510-3Ns/m2。醪液密度1010kg/m3。试验罐 D=375m

9、m d=125mm D/d=3，H/D=2.4,HL/D=1.5四块垂直挡板，B/D=0.1装液60L，通气流率1.0VVM（罐内状态下的体积流率）搅拌涡轮为两只园盘六弯叶涡轮，N=350r/min通过试验，认为此菌株是高耗氧速率菌，体系对剪率较不敏感。试按等kd值进行比拟放大，并总结放大结果。19解：1 计算试验罐的亚硫酸盐氧化法kd值ReM=Nd2/350/600.12521010/(2.2510-3)=4.14104属充分湍流状态：Np=4.7双涡轮搅拌器功率：P=2NpN3d5=24.7(350/60)30.12551010=58.6W=0.0586KWPg=2.2510-3(P2 N

10、 d3/Q0.08)0.39=2.2510-3 (0.058235012.53/600000.08)0.39=0.033kWgQg/(/4D2)0.06/(3.14/40.3752)=0.546 m/min=54.6 cm/min kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9(2.36+3.302)(0.033/0.060)0.5654.60.7 3500.710-9=6.3810-6molml-1min-1atm-1(PO2)例题4.1202.按几何相似原则确定20m3罐主尺寸 取H/D=2.4,D/d=3,HL/D=1.5 有效容积60%，若忽略封底的容积，/

11、4D21.5D=200.6 D=2.16m，d=0.72m 采用两只园盘六弯叶涡轮213.决定通气量按几何相似原则放大设备，如果以VVM表示的通气流率相等，则放大罐的g比原型罐的g要显著增大（g）2/（g）1=D2/D1P1/P2）。过大的g将造成太多的泡沫和逃液，一般设计放大罐的g取值为150cm/min。Q=/4D2g/100=/4(2.162)21.50=5.49m3/minVVM=5.49/12=0.46224.按kd相等准则决定大罐的搅拌器转速及搅拌功率依据福田修雄修正式：kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9由于几何相似，Vd3，则 kd(Pg/

12、d3)0.56g0.7N0.7因Pg=2.2510-3(P2 N d3/Q0.08)0.39,P=2Np N3 d5则Pg(N3 d5)2 N d3/Q0.080.39N2.73d5.07/Q0.0312kd(N2.73d5.07/Q0.0312)/d30.56g0.7N0.7 N2.229d1.159g0.7/Q0.0175 N2.229d1.159g0.7/(d2 g)0.0175 N2.229d1.124g0.6825依据kd相等原则，推出N22.229d21.124g20.6825=N12.229d11.124g10.682523 则 N22.2290.721.1241500.6825

13、 =3502.2290.1251.124 54.60.6825N2=106 r/minP=2NpN3d5=24.7(106/60)30.7251010 =10129W=10.1kWPg=2.25103(P2Nd3/Q0.08)0.39 =2.25103(10.1210672354900000.08)0.39Pg=7.73kW24对照项原型罐放大罐V有效（m3）0.0612放大倍数1200HL/D1.51.5D/d33Q(VVM)10.46P/V(kW/m3)0.980.84Pg/V(kW/m3)0.550.64N(r/min)350106kd(mol.ml-1.min-1.atm-1(po2)

14、3.3810-63.3810-6将原型罐与放大罐的结果对照如下：25三、搅拌功率及搅拌转速的放大 1、以单位培养液体积所消耗的功率相等原则放大 此时，P2/V2=P1/V1 因为 PN3d5，VD3 d3 P/V N3d2 所以(N3d2)2/(N3d2)1=1 N2/N1=(d1/d2)2/3 P2/P1=(d2/d1)326 2、以单位体积培养液所消耗的通气功率相同、以单位体积培养液所消耗的通气功率相同原则放大原则放大 此时 Pg2/V2=Pg1/V1 因为PNp N3d5 N3d5，Qg0.785D2gd2g Michel修正式 Pg=2.25 10-3(P2Nd3/Q0.08)0.39

15、 Pg(N3d5)2Nd3/(d2g)0.080.39N2.73d5.01/g0.03 Pg/V N2.73d2.01/g0.03 故 N2/N1=(d1/d2)0.736(g)2/(g)10.01 P2/P1=(d2/d1)2.792(g)2/(g)10.0327例题4.2按例4.1中的数据，用P/V相等为准则比拟放大。解：因几何相似，Vd3，由P=2Np N3 d5，推出P/VN3d2依据P1/V1=P2/V2，则N2/N1=(d1/d2)2/3N2=(0.125/0.72)2/3350109r/minP=2NpN3d5=24.7(109/60)30.7251010 =11013(W)=1

16、1kW28四、混合时间 混合时间：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。FOX用因次分析法，当Re 105，得出以下关系式 Ft=tM(Nd2)2/3g1/6d1/2/（HL1/2D3/2）=常数 发酵罐放大29对几何相似的罐，(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 当P1/V1=P2/V2时，N2/N1=(d1/d2)2/3，(tM)2/(tM)1=(d2/d1)4/9(d2/d1)1/6(d2/d1)11/18发酵罐放大，混合时间延长！体积

17、放大125倍，混合时间增大2.67倍。30五、周线速度 在P/V相等的条件下，d/D比越小，搅拌叶轮尖端线速度（dN）越大，剪切率也越大，混合时间tM急剧延长。因为 P/VN3d5/D3，P2/V2=P1/V1 N23d25/D23 N13d15/D13 N2/N1=(d1/d2)5/3 D2/D1 (dN)2/(dN)1=(d1/d2)2/3 D2/D1 31(dN)2/(dN)1=(d1/d2)2/3 D2/D1若D2=D1,d2d1,则(dN)2/(dN)1 1若发酵罐体积放大(D2D1)，d2/D2 d1/D1则(dN)2/(dN)1=(d1/D1)/(d2/D2)2/3 (D1/D2

18、)2/3(D2/D1)=(d1/D1)/(d2/D2)2/3(D2/D1)1/3 (D2/D1)1/3 1相同体积发酵罐发酵罐体积放大32Ft=tM(Nd2)2/3g1/6d1/2/（HL1/2D3/2）=常数(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 当P1/V1=P2/V2时，N2/N1=(d1/d2)5/3 D2/D1 33(tM)2/(tM)1=(d1/d2)13/18(D2/D1)4/3若D2=D1，则(tM)2/(tM)1=(d1/d2)13/18 1若发酵罐体积放大(D

19、2D1)，d2/D2 d1/D1则(tM)2/(tM)1=(d1/D1)/(d2/D2)13/18 (D1/D2)13/18(D2/D1)2 (D2/D1)23/18 1发酵罐放大，混合时间延长！体积放大125倍，混合时间增大倍数大于2.67倍。问题：过小的d/D比值，导致混合时间tM急剧延长，丝状菌受剪切率影响明显。34六、搅拌液流速度压头液流速度压头（H）、搅拌液流液流循环量循环量(Q)以及Q/H比值对比拟放大的意义 搅拌液流速度压头(H)正比于涡轮周线速度的平方：H(Nd)2 H越大，液体的湍动程度越高，剪率越大，有利于菌丝团及气泡的分散，有利于传质。搅拌液流 循环量Q正比于涡轮的旋转面

20、积及周线速度：Q（Nd）(/4d2)Nd3 Q越大，液体的循环越快，有利于混合和缩短混合时间。Qv=Q/V Nd3/D N35 增大N对提高溶氧更为有效，增大d对缩短混合时间更为有效。当P1/V1=P2/V2时，N2/N1=(d1/d2)2/3，Q/Hd/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 36例题4.3小型霉菌发酵试验罐。实验证明本体系为溶氧速率控制，对剪率敏感。装液量 0.291 m3 罐直径D=0.57m，HL=1.14

21、m 涡轮直径d=0.228m，转速377rmin 两只搅拌涡轮 剪率增加超过50%是危险的 要求将试验罐放大100倍37解 既然体系为溶氧速率控制，对剪率敏感。故以PV相等为放大准则，同时把Qv/H及dN作为比较指标，保证剪率增大不粗过50，同时混合时间不过分增长。小罐的主要特征：d1=0.228m，N1=377r/min,V1=0.291m3(Qv/H)1=k1Nd3VL(Nd)2 =k10.228/(3770.291)=2.0810-3k1(dN)1=3.140.228377270m/min按P/V相等放大至30m3，几何相似，则：V2/V1=(d2/d1)3d2=1.06mP/Vn3d2

22、n2=n1(d1/d2)2/3 n2=135.3r/min 38V2=30m3(Qv/H)2=k2Nd3VL(Nd)2 =k21.06/(135.330)=2.6110-4k2(dN)2=3.141.06135.3450m/min几何相似，或基本相似条件下，两比例系数相等，k1=k2。(Qv/H)2比(Qv/H)1下降约87%，混合时间有较大延长(tm2/tm1=(D2/D1)11/18=2.56)。另外，(dN)2比(dN)1的增大超过50%，不符合要求。应在按P/V相等原则放大罐时，考虑对d2和N2加以适当调整，为此必需牺牲几何相似原则。39调整如下：为降低剪率、改善混合效果，需缩小涡轮转

23、数，增大直径，但保持P/V基本不变。若将涡轮直径增大1.5倍，转数缩减50%，那么P/V将降低约5%(N33d35V3/(N23d25V2)=95%)调整如下：d3=1.5d2=1.605m N3=0.5N2=67.3r/min(Qv/H)3=k3Nd3VL(Nd)2 =k31.605/(67.330)=7.9510-4k3(dN)3=3.141.60567.3339m/min40可以认为k3k2，对于调整方案：Qv/H下降约61%，混合时间延长1.93倍(tmHL1/2D3/2/(N2/3d11/6)tm2/tm1=1.932)。剪率提高1.26倍，低于允许的提高限度1.5倍。计算的放大结果列于下表：41参数原型罐放大罐按P/V相等放大，几何相似对剪率和混合效果兼顾的放大VL(m3)0.2913030D(m)0.572.672.67HL(m)1.145.345.34d(m)0.2281.071.605HL/D22242d/D0.40.40.6N(r/min)337134.367.3涡轮只数222dN270450339Qv/H2.0710-3k2.6110-4k7.9510-4kTm(相对值)12.561.93P/V(相对值)110.95