第四章-发酵罐的比拟放大Jppt课件

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1、我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第四章第四章 发酵罐的比拟放大发酵罐的比拟放大生物反应器的放大是指在反应器的设计与生物反应器的放大是指在反应器的设计与操作上，将小型反应器的最优反应结果转操作上，将小型反应器的最优反应结果转移至工业规模反应器中重现的过程。移至工业规模反应器中重现的过程。放大过程：放大过程：小试，中试，大生产。小试，中试，大生产。生物反应器的设计；工艺条件与参数优化生物反应器的设计；工艺条件与参数优化第四章 发酵罐的比拟放大生物反应器的放大是指在反应器的设计1 1我吓了一跳，蝎

2、子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物项目项目实验用反应器实验用反应器生产用反应器生产用反应器功率消耗功率消耗不必考虑不必考虑需认真对待需认真对待反应器内空间反应器内空间控制检测装置控制检测装置占去一定空间占去一定空间无此影响无此影响混合特性混合特性可不必考虑可不必考虑需认真对待需认真对待换热系统换热系统较易解决较易解决较难解决较难解决小型和大型生物反应器设计的不同点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2 2我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但

3、是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物放大的原理：相似原理理想反应器放大应达到的相似条件：（1）几何相似；（2）流体力学相似；（3）热相似；（4）质量（浓度）相似；（5）生物化学相似。放大的原理：相似原理3 3我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物放大方法：经验放大法，因次分析法，时间常放大方法：经验放大法，因次分析法，时间常放大方法：经验放大法，因次分析法，时间常放大方法：经验放大法，因次分析法，时间常数法，数学模拟法，计算流体力学等数法，数学模拟法，计算流体力学等数法，数学模

4、拟法，计算流体力学等数法，数学模拟法，计算流体力学等 放大原则：重点解决主要矛盾放大原则：重点解决主要矛盾放大原则：重点解决主要矛盾放大原则：重点解决主要矛盾 气体传递、混合；剪切敏感性；热传递等。气体传递、混合；剪切敏感性；热传递等。气体传递、混合；剪切敏感性；热传递等。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、空气流放大所需解决的主要参数：罐体参数、空气流放大所需解决的主要参数：罐体参数、空气流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量、搅拌转速和搅拌功率消耗等量、搅拌转速和搅拌功率消耗等量、搅拌转速和搅拌功率消耗等放大方法：经验放

5、大法，因次分析法，时间常数法，数学模拟法，计4 4我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物经验放大法：经验放大法：几何相似放大几何相似放大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原则放大空气线速度相同原则放大空气线速度相同原则放大K KL La/Kda/Kd值相同原则

6、放大值相同原则放大值相同原则放大值相同原则放大经验放大法：5 5我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物因次分析法因次分析法因次分析法因次分析法：保持无因次准数相等原则放大：保持无因次准数相等原则放大 Re Re，NuNu，DaDa，PezPez时间常数法时间常数法时间常数法时间常数法：某一变量与其变化速率之比：某一变量与其变化速率之比反应时间反应时间 t tr r=C/r r =C/r r 反应速率反应速率扩散时间扩散时间 t tD D=L=L2 2/Dz/Dz混合时间混合时间 t tmm=Tm/

7、n =Tm/n 数学模拟法数学模拟法数学模拟法数学模拟法：计算流体力学法计算流体力学法计算流体力学法计算流体力学法其他放大方法：其他放大方法：因次分析法：保持无因次准数相等原则放大其他放大方法：6 6我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物放大基准放大基准1、反应器的几何特征、反应器的几何特征2、kLa(或或kd)3、最大剪切力（搅拌叶端线速度）、最大剪切力（搅拌叶端线速度）4、单位液体体积功率输入（、单位液体体积功率输入（P0/V）5、单位反应器有效体积的通气速率（、单位反应器有效体积的通气速率（

8、VVM）6、通气表观线速度、通气表观线速度 ND4、混合时间、混合时间 tmHL1/2D3/2/(N2/3d11/6)5、Q/H d/N 液流循环量液流循环量/液流速度压头液流速度压头放大基准1、反应器的几何特征7 7我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物欧洲发酵工业中的放大准则工业应用的比例（工业应用的比例（%）所采用的经验放大准则所采用的经验放大准则3030单位培养液体积消耗功单位培养液体积消耗功率相等率相等3030k kL La a恒定恒定2020搅拌桨叶端速度恒定搅拌桨叶端速度恒定2020

9、氧分压恒定氧分压恒定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8 8我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物一、几何尺寸放大一、几何尺寸放大几何相似原则：几何相似原则：H H1 1/D/D1 1=H=H2 2/D/D2 2=A=A放大倍数放大倍数m=Vm=V2 2/V/V1 1 m=V m=V2 2/V/V1 1=/4D=/4D2 22 2HH2 2/(/4D/(/4D1 12 2HH1 1)(D(D2 2/D/D1 1)3 3D D2 2/D/D1 1=m=m1/31/3，H H

10、2 2/H/H1 1=m=m1/31/3d d2 2/d/d1 1=？注：下标1为实验罐，下标2为生产罐一、几何尺寸放大几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A注：9 9我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物二、空气流量放大二、空气流量放大空气流量表示方法：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（）操作状态下的空气直线速度（g

11、，m/h）二、空气流量放大空气流量表示方法：1010我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物两者的换算关系：两者的换算关系：P P1 1V V1 1/T/T1 1=P=P2 2V V2 2/T/T2 2QQg gP/(273+t)=QP/(273+t)=Q0 0(9.8110(9.81104 4)/273)/273QQg g=Q=Q0 0(273+t)(9.8110(273+t)(9.81104 4)/(273P)/(273P)(m(m3 3/min)/min)g gQQ0 0(60)(273+t)

12、(9.8110(60)(273+t)(9.81104 4)/(/4D)/(/4D2 2273P)273P)27465.6 27465.6 QQ0 0(273+t)/(PD(273+t)/(PD2 2)27465.6(27465.6(VVMVVM)(V)(VL L)(273+t)/(PD)(273+t)/(PD2 2)(m/h)(m/h)(1)(1)VVM VVM=g gPDPD2 2/27465.6(V/27465.6(VL L)(273+t)(273+t)(m(m3 3.m.m-3-3.min.min-1-1)(2)(2)两者的换算关系：1111我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么

13、把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物QQ0 0=g gPDPD2 2/27465.6(273+t)(m/27465.6(273+t)(m3 3.min.min-1-1 )注：注：V VL L 发酵液体积发酵液体积(m(m3 3)P P 液柱平均绝对压力液柱平均绝对压力(Pa)(Pa)P=(Pt+9.81 10 P=(Pt+9.81 104 4)+9.81/2H)+9.81/2HL L H HL L发酵罐液柱高度发酵罐液柱高度(m)(m)Pt Pt 罐顶压力表所指示的读数罐顶压力表所指示的读数(Pa)(Pa)Q0=gPD2/27465.6(2

14、73+t)1212我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大 依据式（依据式（1 1）得）得g g(VVM)V(VVM)VL L/(PD/(PD2 2)g g(VVM)D(VVM)D3 3/(PD/(PD2 2)(VVM)D/P(VVM)D/P 因为因为(VVM)(VVM)2 2=(VVM)=(VVM)1 1 所以所以 (g g)

15、2 2/(/(g g)1 1=D=D2 2/D/D1 1PP1 1/P/P2 22 2、以空气直线速度相同的原则放大、以空气直线速度相同的原则放大、以空气直线速度相同的原则放大、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（依据式（2 2）得）得 VVM VVM g g PDPD2 2/V/VL L VVM VVM g g P/DP/D 因为因为(g g)2 2=(=(g g)1 1 所以所以 (VVM)(VVM)2 2/(VVM)/(VVM)1 1=P P2 2/P/P1 1DD1 1/D/D2 21、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大1313我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它

16、放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3 3、以、以、以、以k kL La a值相同的原则放大值相同的原则放大值相同的原则放大值相同的原则放大 根据文献报导，根据文献报导，k kL La a(Q(Qg g/V/VL L)H)HL L2/32/3，其中，其中QQg g为操为操作状态下的通气流量，作状态下的通气流量，V VL L为发酵液体积，为发酵液体积，H HL L为液柱为液柱高度。则高度。则 k kL Laa2 2/k/kL Laa1 1=(Q(Qg g/V/VL L)2 2(H(HL L)2 22/32/3/(Q/(Qg g/V/VL L)1

17、1(H(HL L)1 12/32/3=1=1 (Q (Qg g/V/VL L)2 2/(Q/(Qg g/V/VL L)1 1=(H=(HL L)1 12/32/3/(H/(HL L)2 22/32/3=(D=(D1 1/D/D2 2)2/3 2/3 (3)(3)因为因为QQg gg gD D2 2，V VD D3 3 故故(Q(Qg g/V/VL L)2 2/(Q/(Qg g/V/VL L)1 1=(=(g g/D)/D)2 2/(/(g g/D)/D)1 1 (4)(4)(g g/D)/D)2 2/(/(g g/D)/D)1 1=(D=(D1 1/D/D2 2)2/32/3 (g g)2 2

18、/(/(g g)1 1=(D=(D2 2/D/D1 1)1/31/3 又因又因g g(VVM)V(VVM)VL L/(PD/(PD2 2)(VVM)D/P(VVM)D/P 故故 (VVM)(VVM)2 2/(VVM)/(VVM)1 1=(D=(D1 1/D/D2 2)2/32/3(P(P2 2/P/P1 1)3、以kLa值相同的原则放大1414我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物若若若若V V2 2/V/V1 1=125=125，D D2 2=5D=5D1 1,P,P2 2=1.5P=1.5P1

19、 1，则用上述三种，则用上述三种，则用上述三种，则用上述三种不同方法计算发酵罐放大后的通气量。不同方法计算发酵罐放大后的通气量。不同方法计算发酵罐放大后的通气量。不同方法计算发酵罐放大后的通气量。放大方法放大方法放大方法放大方法VVMVVM值值值值 g g值值值值放大前放大前放大前放大前放大后放大后放大后放大后放大前放大前放大前放大前放大后放大后放大后放大后VVMVVM相同相同相同相同1 1？1 1？g g相同相同相同相同1 1？1 1？k kL La a相同相同相同相同1 1？1 1？若V2/V1=125，D2=5D1,P2=1.5P1，则用上1515我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，

20、为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物若若V V2 2/V/V1 1=125=125，D D2 2=5D=5D1 1,P,P2 2=1.5P=1.5P1 1，则用上述三种，则用上述三种不同方法计算放大后的通气量结果如下表。不同方法计算放大后的通气量结果如下表。放大方法放大方法放大方法放大方法VVMVVM值值值值 g g值值值值放大前放大前放大前放大前放大后放大后放大后放大后放大前放大前放大前放大前放大后放大后放大后放大后VVMVVM相同相同相同相同1 11 11 13.333.33 g g相同相同相同相同1 10.30.31 11 1

21、k kL La a相同相同相同相同1 10.5130.5131 11.711.71若V2/V1=125，D2=5D1,P2=1.5P1，则用上1616我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物4、以氧分压为推动力的体积溶氧系数、以氧分压为推动力的体积溶氧系数kd相相等原则放大等原则放大 （1）福田修雄修正式 kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9 m：搅拌涡轮的个数 kd(Pg/V)0.56g0.7N0.7 （1）4、以氧分压为推动力的体积溶氧系数kd相等原则放大1

22、717我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（2 2）依据）依据MichelMichel修正式修正式 P P0 0=Np N=Np N3 3d d5 5 V=/4D/4D2 2 H H Qg=/4D/4D2 2g g 所以所以 P Pg g/V/V(N(N3 3d d5 5)2 2 NdNd3 3/(D/(D2 2g g)0.08 0.08 0.390.39/(D/(D2 2H)H)得得 P Pg g/V/V N N2.732.73d d2.012.01/g g0.030.03，代入（，代入（1

23、1）式）式 k kd d(P(Pg g/V)/V)0.560.56g g0.70.7N N0.7 0.7（1 1）（2）依据Michel修正式1818我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 得 kd(N2.73d2.01/g0.03)0.56g0.7N0.7 kd N2.23d1.13g0.68 依据依据(kd)2=(kd)1 相等原则放大，则：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)20.9 得1919我吓

24、了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物例题4.1枯枯枯枯草草草草芽芽芽芽孢孢孢孢杆杆杆杆菌菌菌菌在在在在100L100L罐罐罐罐中中中中进进进进行行行行-淀淀淀淀粉粉粉粉酶酶酶酶生生生生产产产产试试试试验验验验，获获获获得得得得良良良良好好好好成成成成绩绩绩绩。放放放放大大大大至至至至20m20m3 3罐罐罐罐。此此此此发发发发酵酵酵酵醪醪醪醪接接接接近近近近牛牛牛牛顿顿顿顿型型型型流流流流体体体体，其其其其中中中中悬悬悬悬浮浮浮浮固固固固体体体体与与与与悬悬悬悬浮浮浮浮液液液液总总总总容容容容积积积

25、积之之之之比比比比0.10.1，3535时时时时滤滤滤滤液液液液 粘度粘度粘度粘度 0 0=1.5510=1.5510-3-3Ns/mNs/m2 2。醪液粘度醪液粘度醪液粘度醪液粘度（0 04.54.5）2.25102.2510-3-3Ns/mNs/m2 2。醪液密度醪液密度醪液密度醪液密度 1010kg/m1010kg/m3 3。试验罐试验罐试验罐试验罐 D=375mm d=125mm D=375mm d=125mm D/d=3 D/d=3，H/D=2.4,H H/D=2.4,HL L/D=1.5/D=1.5四块垂直挡板，四块垂直挡板，四块垂直挡板，四块垂直挡板，B/D=0.1B/D=0.1

26、装液装液装液装液60L60L，通气流率，通气流率，通气流率，通气流率1.0VVM1.0VVM（罐内状态下的体积流率）（罐内状态下的体积流率）（罐内状态下的体积流率）（罐内状态下的体积流率）搅拌涡轮为两只园盘六弯叶涡轮，搅拌涡轮为两只园盘六弯叶涡轮，搅拌涡轮为两只园盘六弯叶涡轮，搅拌涡轮为两只园盘六弯叶涡轮，N=350r/minN=350r/min 通通通通过过过过试试试试验验验验，认认认认为为为为此此此此菌菌菌菌株株株株是是是是高高高高耗耗耗耗氧氧氧氧速速速速率率率率菌菌菌菌，体体体体系系系系对对对对剪剪剪剪率率率率较较较较不敏感。试按等不敏感。试按等不敏感。试按等不敏感。试按等k kd d值

27、进行比拟放大，并总结放大结果。值进行比拟放大，并总结放大结果。值进行比拟放大，并总结放大结果。值进行比拟放大，并总结放大结果。例题4.1枯草芽孢杆菌在100L罐中进行-淀粉酶生产试验，2020我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物例题例题4.1解题思路解题思路：1.计算试验罐的亚硫酸盐氧化法计算试验罐的亚硫酸盐氧化法kd值值 kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-92.按几何相似原则确定按几何相似原则确定20m3罐主尺寸罐主尺寸3.确定通气量确定通气量4.按按kd

28、相等准则确定大罐的搅拌器转速及搅拌相等准则确定大罐的搅拌器转速及搅拌功率功率例题4.1解题思路：2121我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物解：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：P0=2NpN3d5=24.7(350/60)30.12551010=58.6W=0.0586KWPg=2.2510-3(P02Nd3/Q0.08)0.39=2.2510-3(0.05823

29、5012.53/600000.08)0.39=0.033kWgQg/(/4D2)0.06/(3.14/40.3752)=0.546m/min=54.6cm/minkd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9(2.36+3.302)(0.033/0.060)0.5654.60.73500.710-9=6.3810-6molml-1min-1atm-1(PO2)例题4.1解：1 计算试验罐的亚硫酸盐氧化法kd值例题4.12222我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.按

30、几何相似原则确定按几何相似原则确定20m3罐主尺寸罐主尺寸 取取H/D=2.4,D/d=3,HL/D=1.5 有效容积有效容积60%，若忽略封底的容积，若忽略封底的容积，/4D21.5D=200.6 D=2.16m，d=0.72m 采用两只园盘六弯叶涡轮采用两只园盘六弯叶涡轮2.按几何相似原则确定20m3罐主尺寸2323我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.确定通气量确定通气量按几何相似原则放大设备，如果以按几何相似原则放大设备，如果以VVM表示的通气表示的通气流率相等，则放大罐的流率相等，则

31、放大罐的g比原型罐的比原型罐的g要显著增大要显著增大（g）2/（g）1=D2/D1P1/P2）。）。过大的过大的g将造成太多的泡沫和逃液，一般设计放大将造成太多的泡沫和逃液，一般设计放大罐的罐的g取值为取值为150cm/min。Qg=/4D2g/100=/4(2.162)21.50=5.49m3/minVVM=5.49/12=0.463.确定通气量2424我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物4.按按kd相等准则决定大罐的搅拌器转速及搅拌功率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

32、：kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.710-9由于几何相似，Vd3，则kd(Pg/d3)0.56g0.7N0.7因Pg=2.2510-3(P2Nd3/Q0.08)0.39,P=2NpN3d5则Pg(N3d5)2Nd3/Q0.080.39N2.73d5.07/Q0.0312kd(N2.73d5.07/Q0.0312)/d30.56g0.7N0.7N2.229d1.159g0.7/Q0.0175N2.229d1.159g0.7/(d2g)0.0175N2.229d1.124g0.6825依据依据kd相等原则，推出相等原则，推出N22.229d21.124g20.682

33、5=N12.229d11.124g10.68254.按kd相等准则决定大罐的搅拌器转速及搅拌功率2525我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物则N22.2290.721.1241500.6825 =3502.2290.1251.124 54.60.6825N2=106 r/minP0=2NpN3d5=24.7(106/60)30.7251010 =10129W=10.1kWPg=2.25103(P02Nd3/Q0.08)0.39 =2.25103(10.1210672354900000.08)0.

34、39Pg=7.73kW 则 2626我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物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)3.3810-63.3810-6将原型罐与放大罐的结果对照如下：将原型罐与放大罐的结果对照如下：将原型罐与放大罐的结果对照如下：将原型罐与放大罐的结果对照如下

35、：对照项原型罐放大罐V有效（m3）0.0612放大倍数12002727我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物三、搅拌功率及搅拌转速的放大三、搅拌功率及搅拌转速的放大1 1、以单位培养液体积所消耗的功率相等原则放大、以单位培养液体积所消耗的功率相等原则放大、以单位培养液体积所消耗的功率相等原则放大、以单位培养液体积所消耗的功率相等原则放大 此时，此时，此时，此时，P P2 2/V/V2 2=P=P1 1/V/V1 1 因为因为因为因为 P PN N3 3d d5 5，V VD D3 3 d d3 3

36、 P/V P/V N N3 3d d2 2 所以所以所以所以 (N(N3 3d d2 2)2 2/(N/(N3 3d d2 2)1 1=1=1 N N2 2/N/N1 1=(d=(d1 1/d/d2 2)2/3 2/3 P P2 2/P/P1 1=(d=(d2 2/d/d1 1)3 3 mm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2828我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 2 2、以单位体积培养液所消耗的通气功率相同原则放大、以单位体积培养液所消耗的通气功率相同原则放大、以

37、单位体积培养液所消耗的通气功率相同原则放大、以单位体积培养液所消耗的通气功率相同原则放大 此时此时此时此时 P Pg2g2/V/V2 2=P=Pg1g1/V/V1 1 因为因为因为因为P PNp NNp N3 3d d5 5 N N3 3d d5 5，Q Qg g/4D/4D2 2g gd d2 2g g Michel Michel修正式修正式修正式修正式 P Pg g=2.25 10=2.25 10-3-3(P(P2 2NdNd3 3/Q/Qg g0.080.08)0.390.39 P Pg g(N(N3 3d d5 5)2 2NdNd3 3/(d/(d2 2g g)0.080.08 0.3

38、90.39N N2.732.73d d5.015.01/g g0.030.03 P Pg g/V/V N N2.732.73d d2.012.01/g g0.030.03 故故 N N2 2/N/N1 1=(d=(d1 1/d/d2 2)0.7360.736(g g)2 2/(/(g g)1 1 0.010.01 P P2 2/P/P1 1=(d=(d2 2/d/d1 1)2.7922.792(g g)2 2/(/(g g)1 1 0.030.03 2、以单位体积培养液所消耗的通气功率相同原则放大2929我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到

39、愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物例题4.2按例按例按例按例4.14.1中的数据，用中的数据，用中的数据，用中的数据，用P/VP/V相等为准则比拟放大。相等为准则比拟放大。相等为准则比拟放大。相等为准则比拟放大。解：因几何相似，解：因几何相似，解：因几何相似，解：因几何相似，V Vd d3 3，由由由由P=2Np NP=2Np N3 3 d d5 5，推出，推出，推出，推出P/VP/VN N3 3d d2 2依据依据依据依据P P1 1/V/V1 1=P=P2 2/V/V2 2，则，则，则，则N N2 2/N/N1 1=(d=(d1 1/d/d2 2)2/32/3N N2 2=(0

40、.125/0.72)=(0.125/0.72)2/32/3350350109r/min109r/minP P=2NpN=2NpN3 3d d5 5=24.7(109/60)=24.7(109/60)3 30.720.725 510101010 =11013(W)=11kW =11013(W)=11kW例题4.2按例4.1中的数据，用P/V相等为准则比拟放大。3030我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物四、混合时间（四、混合时间（tM）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

41、，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 发酵罐放大四、混合时间（tM）混合时间：把少许具有与搅拌罐内的液体相同3131我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物tM （HL1/2D3/2）/(Nd2)2/3d1/2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

42、=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！发酵罐放大，混合时间延长！体积放大体积放大125倍，混合时间增大倍，混合时间增大2.67倍。倍。tM （HL1/2D3/2）/(Nd2)2/3d13232我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物五、周线速度五、周线速度在在P/V相等的条件下，相等的条件下，d/D比越小，搅拌叶比越小，搅拌叶轮尖端线速度（轮尖端线速度（dN）越大，剪切率也越

43、）越大，剪切率也越大，混合时间大，混合时间tM急剧延长。急剧延长。因为因为 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 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3333我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物(dN)2/(dN)1=(d1/d2)2/3 D2/D1若若若若D D2 2=D=D1 1,d,d2 2d d1 1,则则则则

44、(dN)(dN)2 2/(dN)/(dN)1 1 1 1若发酵罐体积放大若发酵罐体积放大若发酵罐体积放大若发酵罐体积放大(D(D2 2DD1 1)，d d2 2/D/D2 2 d d1 1/D/D1 1则则则则(dN)(dN)2 2/(dN)/(dN)1 1=(=(d d1 1/D/D1 1)/()/(d d2 2/D/D2 2)2/3 2/3 (D(D1 1/D/D2 2)2/32/3(D(D2 2/D/D1 1)=(d =(d1 1/D/D1 1)/(d)/(d2 2/D/D2 2)2/3 2/3(D(D2 2/D/D1 1)1/3 1/3 (D (D2 2/D/D1 1)1/3 1/3

45、1 1相同体积发酵罐相同体积发酵罐发酵罐体积放大发酵罐体积放大(dN)2/(dN)1=(d1/d2)2/3 D2/3434我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物F Ft t=t=tMM(Nd(Nd2 2)2/32/3gg1/61/6d d1/21/2/（H HL L1/21/2D D3/23/2）=常数常数(t(tMM)2 2/(t/(tMM)1 1=(N=(N1 1/N/N2 2)2/3 2/3(d(d1 1/d/d2 2)(4/3+1/2)(4/3+1/2)(D(D2 2/D/D1 1)2 2

46、 =(N=(N1 1/N/N2 2)2/3 2/3(d(d1 1/d/d2 2)11/6 11/6(D(D2 2/D/D1 1)2 2 当当 P P2 2/V/V2 2=P=P1 1/V/V1 1 时，时，N N2 23 3d d2 25 5/D/D2 23 3=N=N1 13 3d d1 15 5/D/D1 13 3 N N2 2/N/N1 1=(d=(d1 1/d/d2 2)5/3 5/3 D D2 2/D/D1 1 Ft=tM(Nd2)2/3g1/6d1/2/（HL1/3535我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有

47、错：表里边有一个活的生物(t(tMM)2 2/(t/(tMM)1 1=(d=(d1 1/d/d2 2)13/18 13/18(D(D2 2/D/D1 1)4/34/3若若若若D D2 2=D=D1 1 ，d d2 2d d1,1,则则则则(t(tMM)2 2/(t/(tMM)1 1=(d=(d1 1/d/d2 2)13/18 13/18 1 1若发酵罐体积放大若发酵罐体积放大若发酵罐体积放大若发酵罐体积放大(D(D2 2DD1 1)，d d2 2/D/D2 2 d d1 1/D/D1 1 则则则则(t(tMM)2 2/(t/(tMM)1 1=(=(d d1 1/D/D1 1)/()/(d d2

48、 2/D/D2 2)13/18 13/18 (D(D1 1/D/D2 2)13/1813/18(D(D2 2/D/D1 1)2 2 (D(D2 2/D/D1 1)23/18 23/18 1 1 发酵罐放大，混合时间延长！发酵罐放大，混合时间延长！发酵罐放大，混合时间延长！发酵罐放大，混合时间延长！体积放大体积放大体积放大体积放大125125倍，混合时间增大倍数大于倍，混合时间增大倍数大于倍，混合时间增大倍数大于倍，混合时间增大倍数大于2.672.67倍。倍。倍。倍。问题：过小的问题：过小的问题：过小的问题：过小的d/Dd/D比值，导致混合时间比值，导致混合时间比值，导致混合时间比值，导致混合时

49、间t tMM急剧延长，急剧延长，急剧延长，急剧延长，丝状菌受剪切率影响明显。丝状菌受剪切率影响明显。丝状菌受剪切率影响明显。丝状菌受剪切率影响明显。(tM)2/(tM)1=(d1/d2)13/18(3636我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物六、搅拌液流速度压头（六、搅拌液流速度压头（H）、搅拌液流）、搅拌液流循环量循环量(Q)以及以及Q/H比值对比拟放大的意义比值对比拟放大的意义搅拌液流速度压头搅拌液流速度压头搅拌液流速度压头搅拌液流速度压头(H)(H)正比于涡轮周线速度的平方：正比于涡轮周线

50、速度的平方：正比于涡轮周线速度的平方：正比于涡轮周线速度的平方：H H(dN)(dN)2 2 H H越大，液体的湍动程度越高越大，液体的湍动程度越高越大，液体的湍动程度越高越大，液体的湍动程度越高，剪率越大，有利于菌，剪率越大，有利于菌，剪率越大，有利于菌，剪率越大，有利于菌丝团及气泡的分散，有利于传质。丝团及气泡的分散，有利于传质。丝团及气泡的分散，有利于传质。丝团及气泡的分散，有利于传质。搅拌液流搅拌液流搅拌液流搅拌液流 循环量循环量循环量循环量QQ正比于涡轮的旋转面积及周线速度：正比于涡轮的旋转面积及周线速度：正比于涡轮的旋转面积及周线速度：正比于涡轮的旋转面积及周线速度：Q Q（dNd

51、N）(/4d(/4d2 2)Nd Nd3 3 Q Q 越大，液体的循环越快越大，液体的循环越快越大，液体的循环越快越大，液体的循环越快，有利于混合和缩短混合，有利于混合和缩短混合，有利于混合和缩短混合，有利于混合和缩短混合时间。时间。时间。时间。Qv=Q/VQv=Q/V Nd Nd3 3/D/D3 3 N N六、搅拌液流速度压头（H）、搅拌液流循环量(Q)以及Q/H比3737我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物增大增大增大增大N N对提高溶氧更为有效，增大对提高溶氧更为有效，增大对提高溶氧更为有

52、效，增大对提高溶氧更为有效，增大d d对缩短混合时对缩短混合时对缩短混合时对缩短混合时间更为有效。间更为有效。间更为有效。间更为有效。当当当当P P1 1/V/V1 1=P=P2 2/V/V2 2时，时，时，时，N N2 2/N/N1 1=(d=(d1 1/d/d2 2)2/32/3 ，H H(dN)(dN)2 2 Q Q Nd Nd3 3得：得：得：得：Q/HQ/Hd/Nd/N (Q/H)(Q/H)2 2/(Q/H)/(Q/H)1 1=(d=(d2 2/d/d1 1)(d)(d2 2/d/d1 1)2/32/3=(d=(d2 2/d/d1 1)5/35/3 Qv/H Qv/H 1/(Nd1/

53、(Nd2 2)(Qv/H)(Qv/H)2 2/(Qv/H)/(Qv/H)1 1=(d=(d1 1/d/d2 2)2 2(d(d2 2/d/d1 1)2/32/3=(d=(d1 1/d/d2 2)4/34/3 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。3838我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物例题4.3小小小小型型型型霉霉霉霉菌菌菌菌发发发发酵酵酵酵试试试试验验验验罐罐罐罐。实实实实验验验验证证证证明明明明本本本本体体体体系系系系为为为为溶溶溶溶氧氧氧氧速速速速率率率率控制，对剪率

54、敏感。控制，对剪率敏感。控制，对剪率敏感。控制，对剪率敏感。装液量装液量装液量装液量 0.291 m 0.291 m3 3 罐直径罐直径罐直径罐直径 D=0.57m D=0.57m，H HL L=1.14m=1.14m 涡轮直径涡轮直径涡轮直径涡轮直径 d=0.228m d=0.228m，转速，转速，转速，转速377r377rminmin 两只搅拌涡轮两只搅拌涡轮两只搅拌涡轮两只搅拌涡轮 剪率增加超过剪率增加超过剪率增加超过剪率增加超过 50%50%是危险的是危险的是危险的是危险的 要求将试验罐放大要求将试验罐放大要求将试验罐放大要求将试验罐放大 100 100 倍倍倍倍例题4.3小型霉菌发酵

55、试验罐。实验证明本体系为溶氧速率控制，3939我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物解解 既然体系为溶氧速率控制，对剪率敏感。既然体系为溶氧速率控制，对剪率敏感。故故以以PV相相等等为为放放大大准准则则，同同时时把把Qv/H及及dN作作为为比比较较指指标标，保保证证剪剪率率增增大大不不超超过过50，同同时时混混合合时时间间不过分增长。不过分增长。小罐的主要特征：小罐的主要特征：d1=0.228m，N1=377r/min,V1=0.291m3(Qv/H)1=k1Nd3VL(Nd)2 =k10.228

56、/(3770.291)=2.0810-3k1(dN)1=3.140.228377270m/min按按P/V相等放大至相等放大至30m3，几何相似，则：，几何相似，则：V2/V1=(d2/d1)3d2=1.06m D2,HL2P/VN3d2N2=N1(d1/d2)2/3 N2=135.3r/min 解 既然体系为溶氧速率控制，对剪率敏感。4040我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物V V2 2=30m=30m3 3(Qv/H)(Qv/H)2 2 =k=k2 2NdNd3 3VVL L(Nd)(Nd

57、)2 2 =k=k2 21.06/(135.330)=2.61101.06/(135.330)=2.6110-4-4k k2 2 (dN)(dN)2 2=3.141.06135.3=3.141.06135.3450m/min450m/min几几几几何何何何相相相相似似似似，或或或或基基基基本本本本相相相相似似似似条条条条件件件件下下下下，两两两两比比比比例例例例系系系系数数数数相相相相等等等等，k k1 1=k=k2 2。(Qv/H)(Qv/H)2 2比比比比(Qv/H)(Qv/H)1 1下下下下降降降降约约约约87%87%，混混混混合合合合时时时时间间间间有有有有较较较较大大大大延延延延长长

58、长长(tmtm2 2/tm/tm1 1=(D=(D2 2/D/D1 1)11/1811/18=2.56)=2.56)。另另另另外外外外，(dN)(dN)2 2比比比比(dN)(dN)1 1的的的的增增增增大大大大超超超超过过过过50%50%，不不不不符符符符合合合合要要要要求求求求。应应应应在在在在按按按按P/VP/V相相相相等等等等原原原原则则则则放放放放大大大大罐罐罐罐时时时时，考考考考虑虑虑虑对对对对d d2 2和和和和N N2 2加加加加以以以以适适适适当当当当调整，为此必需牺牲几何相似原则。调整，为此必需牺牲几何相似原则。调整，为此必需牺牲几何相似原则。调整，为此必需牺牲几何相似原则

59、。V2=30m34141我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物调整如下：调整如下：调整如下：调整如下：为为为为降降降降低低低低剪剪剪剪率率率率、改改改改善善善善混混混混合合合合效效效效果果果果，需需需需缩缩缩缩小小小小涡涡涡涡轮轮轮轮转转转转数数数数，增增增增大直径，但保持大直径，但保持大直径，但保持大直径，但保持P/VP/V基本不变。基本不变。基本不变。基本不变。若若若若将将将将涡涡涡涡轮轮轮轮直直直直径径径径增增增增大大大大1.51.5倍倍倍倍，转转转转数数数数缩缩缩缩减减减减50%50%，那

60、那那那么么么么P/VP/V将降低约将降低约将降低约将降低约5%(N5%(N3 33 3d d3 35 5V V3 3）/(N/(N2 23 3d d2 25 5V V2 2)=95%)=95%)调整如下：调整如下：调整如下：调整如下：d d3 3=1.5d=1.5d2 2=1.605m =1.605m N N3 3=0.5N=0.5N2 2=67.3r/min=67.3r/min(Qv/H)(Qv/H)3 3 =k=k3 3NdNd3 3VVL L(Nd)(Nd)2 2 =k=k3 31.605/(67.330)=7.95101.605/(67.330)=7.9510-4-4k k3 3(dN

61、)(dN)3 3 =3.141.60567.3=3.141.60567.3339m/min339m/min调整如下：4242我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物可以认为可以认为k3k2，对于调整方案：，对于调整方案：Qv/H下降约下降约61%，混合时间延长混合时间延长1.93倍倍(tmHL1/2D3/2/(N2/3d11/6)tm2/tm1=1.932 剪率提高剪率提高1.26倍倍，低于允许的提高限度，低于允许的提高限度1.5倍。倍。计算的放大结果列于下表：计算的放大结果列于下表：可以认为k3k

62、2，对于调整方案：4343我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物参数参数原型罐原型罐放大罐放大罐按按P/V相相等等放放大，几何相似大，几何相似对对剪剪率率和和混混合合效效果果兼兼顾顾的的放放大大VL(m3)0.2913030D(m)0.572.672.67HL(m)1.145.345.34d(m)0.2281.071.605HL/D222参数原型罐放大罐按P/V相等放大，几何相似对剪率和混合效果兼4444我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快

63、，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物d/D0.40.40.6N(r/min)337134.367.3涡轮只数涡轮只数222dN270450339Qv/H2.0710-3k2.6110-4k7.9510-4ktm(相对值相对值)12.561.93P/V(相对值相对值)110.95d/D0.40.40.6N(r/min)337134.3674545我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物习题 有一个有一个5m3生物反应器，罐径为生物反应器，罐径为1.4m，装，装液量为液量为4m3,液深为液深为2.7m，采用六弯叶涡轮搅，采用六弯叶涡轮搅拌器，叶径为拌器，叶径为0.45m，搅拌转速，搅拌转速N=190r/min，通风比为，通风比为1:0.2，发酵液密度为，发酵液密度为1040kg/m3，发酵液黏度为，发酵液黏度为1.0610-3Pa.s，现需放大至，现需放大至50m3，试求大罐尺寸和主要工艺条件。（提，试求大罐尺寸和主要工艺条件。（提示：放大原则：几何相似原则，示：放大原则：几何相似原则，kLa值相等原值相等原则，单位体积液体消耗功率相等原则）则，单位体积液体消耗功率相等原则）习题 有一个5m3生物反应器，罐径为1.4m，4646