《生物反应器》PPT课件.ppt

生物反应器,生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一,原料,过程控制,热量,空压机 除菌,原料制备 预处理,灭菌,产品回收,能量,空气,生物 反应器,能量,废物,产物,大型发酵罐搅拌装置,严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表,一个优良的培养装置应具有：,第一节 主发酵设备 一. 发酵罐 1. 基本概念 发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏 广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备 在有些情况下，密闭容器，简单容器,发酵罐的定义：,为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。,第一阶段:1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的热交换仪器。 第二阶段:1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。 第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。,第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服一些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。 第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。,发酵罐的特点,（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。 （2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。 在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、溶解氧电极、溶解二氧化碳电极等的在线检测etc。,1. 按微生物生长：厌氧和好氧发酵设备 2. 按发酵罐搅拌方式： 机械搅拌通风发酵罐 非机械搅拌通风发酵罐 3. 按溶积分类 实验室发酵罐 中试发酵罐 生产规模的发酵罐 4. 按微生物生长环境 悬浮生长系统 支持生长系统 5. 按操作方式 分批发酵 连续发酵,二. 发酵设备的类型,一、酒精发酵罐,酵母将糖转化为酒精高转化率条件 (1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 (2)一定的生化反应时间 (3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热 对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。 酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不需要通入无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。,厌氧微生物反应器,P,大连民族学院,（一）酒精发酵罐筒体结构,为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。 罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。 罐底装有排料口和排污口； 罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。,二、啤酒发酵设备,近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。 大型化的目的是： (1)由于大型化，使啤酒质量均一化； 由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低了主要设备的投资。,(2)发酵容器材料的变化。 由陶器向木材-水泥-金属材料演变 现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。 过去大多数啤酒发酵容器为内有涂料的钢筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不锈钢。,（一）啤酒发酵容器的变迁过程,（3）开放式发酵容器向密闭式转变。 小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。 随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。 从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理。可用吸取法分离泡盖。,（四）新型啤酒发酵设备,1. 圆筒体锥底发酵耀 圆简体锥底立式发酵罐(简称锥形罐)，已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。 锥形耀可单独用于前发酵或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行(一罐法)。 优点：在于能缩短发酵时间，而且具有生产上的灵活性，故能适合于生产各种类型啤酒的要求。,圆筒体锥底罐的结构及特点,圆筒体锥底罐发酵最大特点在于大型化，容积从100600m3 (也有60m3小型的)。,(1) 设备的外型特点 外筒体蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套。 筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。对单酿罐一般是D：H1：12。对两罐法的发酵罐D：H1：34，对两罐法的贮酒罐D：H1：12，也有采用直径为34m的卧式圆简体罐作贮酒罐。增加H有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。,发酵罐锥底角，考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，取排出角为6075，对于贮酒罐，因沉淀物很少，主要考虑材料利用率常取锥角为120150 。 (2) 罐材料 大型圆筒体锥底罐均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。啤酒是酸性液体，能造成铁的电化学腐蚀，啤酒发酵时产生的H2S、SO2对铁材料会造成氧化还原腐蚀。,(3) 冷却夹套 发酵罐或单酿罐内的冷却夹套一般分成三段，上段距发酵液面15cm向下排列，中段在筒体的下部距支撑裙座15cm向上排列，锥底段尽可能接近排酵母口，向上排列。,(4) 隔热层和防护层 绝热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、不易燃等特性。 啤酒圆筒体锥底罐绝热层常用如下材料：聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。采用上述两种绝热材料只需厚度150200mm。膨胀珍珠岩粉和矿渣棉价格低，因吸水性大需增加厚度200250mm。 外防护层一般采用0.71.5mm厚的合金铝板或0.50.7mm的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎。,(5) 罐主要附件 在上中下三段冷却介质进口位置下装智能型铂温度传感器。 在圆筒形下部装可清洗取样阀。 罐顶部应有安全阀、真空破坏阀。 CIP装置。 视镜、灯镜、空气和二氧化碳排出管等装置。 锥底有直径500mm的快开人孔。出酒管和排酵母底阀及四通视镜。,圆筒体锥底发酵罐的优点,加速发酵，圆筒体锥底罐发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。 厂房投资节省。 冷耗节省。 圆筒体锥底罐发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。,圆筒体锥底发酵罐的缺点,由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低(只能使用56代)； 贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化； 若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要57d以上，短期贮酒不能保证温度一致,三、联合罐,是一种具有较浅锥底的大直径(高径比为1：11.3)发酵罐 能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。 联合罐在发酵生产上的用途与锥形罐相同，既可用于前、后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。因而它适合多方面的需要，故又称该类型罐为通用罐。,四、朝日罐,前发酵和后发酵合一的室外大型发酵罐 朝日罐是用4-6mm的不绣钢板制成的斜底圆柱型发酵罐。 其高度与直径比为1:1-2:1 外部设有冷却夹套，冷却夹套包围罐身与罐底。外面用泡沫塑料保温 内部设有带转轴的可动排油管，用来排出酒液，并有保持酒液中CO2含量均一的作用。,循环,排酵母 冷却,朝日罐,（1）利用离心机回收酵母；（2）利用薄板换热器控制发酵温度 （3）利用循环泵把发酵液抽出又送回去。,优点： 三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵母浓度的控制问题，加速了酵母的成熟； 使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点； 利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵浓接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其含量。可加速啤酒的成熟； 后酵时罐的装量可达96，提高了设备利用率 减少了排除酵母时发酵液的损失； 缺点：动力消耗较大。,通风搅拌罐,1）机械搅拌通风发酵罐 循环式：伍式、文氏管式发酵罐 非循环式：通风式、自吸式发酵罐 2）非机械搅拌通风发酵罐 气提式、液提式发酵罐,一、机械搅拌发酵罐,（一）概况 1. 基本结构 利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液混合并溶解在发酵液中，基本要求： 1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的压力 3）搅拌通风装置 4）足够的冷却面积 5）罐内要减少死角 6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露,2，机械搅拌发酵罐的结构,罐身 轴封 消泡器 搅拌器 联轴器 中间轴承 挡板 空气分布管 换热装置 人孔以及管路等,好气性机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要部件包括：,几何尺寸标准发酵罐的 H/D=1.74 d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 B/D=0.81.0 (s/d)2=1.52.5 (s/d)3=12,2. 罐体： 培养微生物的巨大容器，密闭式的，在发酵过程中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为2.5105Pa 形状，圆柱形，两端椭圆形-受力均匀，减少死角，物料容易排除， 高度与直径比1.74：1，有利于提高空气利用率,中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔 罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或蒸汽吹管 罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、压力表接管 罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管和测控仪器接口,3. 罐体表面各种装置：,4. 档板 克服搅拌器运转时液体产生的涡流，将径向流动改变为轴向流动，促使液体激烈翻动，增加溶氧速率 通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件。,挡板的作用： 改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。,全挡板条件功率是搅拌器的特征参数。对于特定的搅拌器（叶轮形式和转速不变）， 功率随挡板系数的增大而增大。但当挡板系数达到一定数值时，功率不会进一步增大，而是 基本保持恒定。此时的档板系数称为全挡板条件，即搅拌功率达到饱和。,达到全挡板条件的要求， 须满足：,5、搅拌器 将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提高氧的传质效率 使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮状态 使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，希望以径向液流为主 在搅拌轴上配置多个搅拌器 搅拌器分轴向式和径向式，,轴向式搅拌器,桨叶式 螺旋桨式,径向式（涡轮式）搅拌器（Disc turbine）,平直叶 弯叶 箭叶,7、消泡器 消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。 孔板式的孔径约1020mm。,8、空气分布装置 单管式分布装置： 管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气分散效果较好。 环形管的分布装置： 以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为58mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。,9、轴封,填料函式轴封,端面式轴封,联轴器 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。,变速装置 试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。,发酵罐的换热装置 夹套式换热装置 多应用于容积较小的发酵罐、种子罐； 夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。 优点：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。 缺点：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差，,竖式蛇管换热装置 是竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，根据管的直径大小而定，容积5米3以上的发酵罐多用这种换热装置。 优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。这种冷却装置适用于冷却用水温度较低的地区，水的用量较少。 但是气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过40C，影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。,竖式列管(排管)换热装置 是以列管形式分组对称装于发酵罐内。 优点：加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区。 缺点：传热系数较蛇管低， 用水量较大。,其他发酵罐,自吸式发酵罐,自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。 与机械搅拌发酵罐的主要区别： 有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成； 没有通气管。 应用： 医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等。取得了良好的成绩。,文氏管发酵罐 工作原理： 用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。,自吸式发酵罐 优点： 节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器设备，减少厂房占地面积。吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，动力消耗省 减少工厂发酵设备投资约30左右。 设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。 设备结构简单，溶氧效率高，操作方便。 缺点： 气体吸入量与液体循环量之比降低，对于耗氧量较大的微生物发酵不适宜； 由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。,气提塔式发酵罐,空气压缩机是气提式发酵罐的重要组成部分，它的效率决定于它的形式。压缩气体通过空气分布器进入液体后，最初形成的气泡是由液体剧烈翻动来分散的，所以气泡的分散程度决定于功率消耗速率。,1、内循环式：它还可用于植物细胞培养和废水处理。 2 、外循环式：它的氧传递系数比相应的鼓泡柱低。工业上它巳用于年产1000吨规模的单细胞蛋白(SCP)的生产。 3、分割式：这种反应器内，装着几块垂直的板，形成使液体上升和下降的两个区域，液体在气体的带动下形成液体流动。 4、循环通道式：气体滞留时间长，功率输入也大。,液提式发酵罐,液提发酵罐是液体借助于一个液体泵进行输送，同时气体在液体的喷嘴处被吸入发酵罐。 喷嘴是这类发酵罐的一个特殊部件，制造要求精密。,带升式发酵罐,带升式发酵罐也称为气流搅拌发酵罐，不用机械搅拌，借通风起到搅拌作用并供给氧气。,带升式罐特点： 结构简单，冷却面积小； 无搅拌传动设备，节约动了约50，节约 钢材； 操作无噪音； 料液可充满达8090，而不需加消泡剂； 维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。 缺点： 不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低。,五、CIP清洗系统,所谓CIP系统，是clean in place的简称，意即原位清洗系统。,CIP：,清洗效率高； 卫生水平稳定； 操作安全，节省劳动力； 节约清洗剂、水、蒸汽等用量； 自动化程度高；,CIP装置的主要组成,管道：除了被清洗的物料管道作为其中的循环管道外，还应按需要另设清洗管道； 清洗装置：包括贮槽、泵、阀、程序控制器等； 贮槽：配制、贮存洗涤剂液的容器； 泵：洗涤剂液循环的动力源； 阀：控制洗涤剂液的流向； 程序控制器： 喷雾装置：喷头的大小、数量 旋转式或固定式,小结：,发酵罐的类型及其优缺点； 各类发酵罐的基本结构； 发酵罐各附件的结构及其作用。,发酵过程的实验室研究，中试和放大,常规放大进程,实验室：菌种筛选和培养基研究 小试： 中试规模：确定菌种培养的最佳操作条件 工厂规模：大规模生产，经济效益,一、 实验室研究 (一) 实验设备 (二) 摇瓶实验 短期内可以获得大量数据 1. 瓶塞是氧传递的限制因素 2. 水蒸发的影响 影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变菌体产物浓度,3. 比表面积的影响 摇床振荡的频率与振幅的大小 培养基体积与摇瓶总体积的比率 摇瓶的形式,先确定培养基组分 通气强度 影响代谢产物产量的关键因素 摇瓶实验：提供基本信息和初步发酵工艺数据 通过正交实验进行实验设计,三. 实验室研究和统计学方法,一般实验 时间、劳动力消耗大，如要考察 3个因素和4个水平需要做33 3 3=81次实验 （因素）34（水平） 温度(C) pH 浓度(mg/ml) 15 6.5 1.0 20 7.0 1.5 25 7.5 2.0 30 8.0 2.5,正交实验 应用数理统计原理，作少量次数实验，求出各参数之间的数量关系 确定因素和水平的数目 确定进行几次实验 从正交表中查设计方案 正交表一般在试验设计等一类书的附录中都可以找到,二、摇瓶培养与罐培养的差异和发酵规模改变的影响,（一） 摇瓶和罐培养的差异 1. 体积氧传递系数（KLa）和溶解氧的差异 2. CO2浓度的差异 罐中CO2浓度明显大于摇瓶，而CO2浓度对细胞呼吸和某些微生物代谢产物有影响,3. 菌丝受机械损伤的差异 如果菌株要求较高的Kla，罐中的生产能力就高于摇瓶 如果菌株对机械损伤比较敏感，罐中生产能力就低于摇瓶 增加摇瓶转速，减少培养基的装量,（二）发酵罐规模改变的影响 引起许多物理和生物参数的改变 主要因素： 菌体繁殖代数： 种子的形成 培养基的灭菌 通气和搅拌 热传递,1. 菌体繁殖代数的差异 Ng=1.44(lnV+lnx-lnX0) Ng：菌体繁殖代数 V：发酵罐体积 m3 x：菌体浓度 kg/m3 X0：总菌体量 kg 体积越大，菌体要进行的繁殖代数也越多，出现变异的机会也增多 繁殖的代数与发酵液体积的对数呈直线关系。,2. 培养基灭菌的差异 分批灭菌：预热期、维持期、冷却期 培养基体积越大，预热期和冷却期越长 对培养基破坏越严重 3. 通气与搅拌的差异 4. 热传递的差异,5. 种子形成的差异 接种量与发酵罐容积成正比 种子培养的级数和菌种繁殖的代数 小结： 发酵过程不是简单的体积增大过程 菌种质量和其它发酵工艺也会改变,三、发酵规模的缩小和放大 （一）概述 使小型规模实验所取得的结果在大生产规模上重现 ？ 大、小规模实验中菌体所处的外界环境能保持完全一致 缩小（scale down）：大规模发酵生产条件作为中小型实验条件 放大（scale up）：实验室和中试车间结果应用到大规模发酵工业中,化学因素：基质浓度、前体浓度等 物理因素：温度、粘度、功率消耗等 化学因素可以通过人为控制来保持恒定 物理因素与设备规模的大小关系很大,（二）放大或缩小所设计的关键因素,（三）放大的过程 1. 实验室实验：摇瓶获得最佳发酵工艺条件 2. 中间工厂实验（中试）：用一定数量的 1015L小型发酵罐进行实际应用研究 抽提产物还要有几个34m3的中型罐 中试设备要自动化程度高 3. 工厂生产规模：1550m3，有的可达 260m3,为什么生化反应器的放大比较困难?,单位体积的表面积减少,发酵罐的高径比一般为2:13:1, 如果保持这个比例不变, 那么在放大过程中，表面积与体积之比会急剧下降。,而这个变化会使氧气的传递趋于困难。,为什么生化反应器的放大比较困难?,物理条件发生改变,放大的反应器中的物理环境与几何相似的小反应器中的物理环境会有所差异.,放大规模的改变会导致生化反应器中物理环境的改变，这种改变往往会影响到细胞的生长和代谢过程。,当反应器放大过程中引起的物理化学环境变化对细胞造成损伤或破坏，细胞对在不同放大规模下不同培养环境的代谢响应会有所差异。,放大的理论基础,（一）物理学基础 1、单位体积液体的搅拌消耗功率 2、搅拌雷诺准数 3、溶氧系数 4、搅拌桨末端线速度 5、混合时间 6、通过反馈控制条件，尽可能使重要环境因子一致。,雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。外部条件几何相似时(几何相似的管子，流体流过几何相似的物体等)，若它们的雷诺数相等，则流体流动状态也是几何相似的(流体动力学相似)。,单位体积的输入功率恒定 (P/V, also OTR),生化反应器放大的方法?,kLa恒定 (oxygen supply),Re恒定 (geometrically similar flow patterns),混合时间恒定 (mixing time),搅拌器末端速度恒定 (shear),每一种方法都有成功的例子，但不是普适的，各有优缺点.,一般的放大方法多是经验性的，定性的方法.,研究流体的停留时间分布，混合时间，气体分散等过程的机理及其数学模型有助于实现反应器传递特性的定量化，在此基础上建立的过程动力学模型，使其成为反应器设计与放大的基础。,机械搅拌罐放大过程,测定试验罐的Qg、n、发酵速率及几何尺寸,测定发酵液的特性：r、m,计算试验罐的vvm、Qg/(nd3)、pnd及Re等,预算NP、P、Pg和kLa等,根据生产量和产率选择发酵罐的体积和个数,按几何相似原则计算放大罐的尺寸,确定放大准则，通常对高耗氧生物反应用kLa相等原则,计算Q和N,根据vvm相等原则、Q/(nd3)相等原则、us相等原则确定Q,根据Pg与kLa关系计算n,估算搅拌功率,例：机械搅拌罐经验放大法,某厂在100L机械搅拌罐中进行淀粉酶生产试验，所用的菌种为枯草杆菌，获得良好的发酵效果，拟放大至20 m3 生产罐，粘度 =2.2510-3PaS，密度L=1020kg/m3。试验罐的尺寸为:直径D=375mm，搅拌叶轮d=125mm (D/d=3.0)，高径比H/D2.4，液深HL=1.5D，4块档板的W/D=0.1，装液量为60L，通气速率1.0vvm，使用2档圆盘六直角叶涡轮搅拌器，转速n=350r/min。通过实验，证明此发酵为高耗氧的生物反应，故可按体积溶氧系数相等之原则进行放大。,筒身高度H 罐径D 档板宽度W 液位高度HL 搅拌器直径d 两搅拌器间距s 下搅拌器距底部的间距B,(1)依据几何相似的原则计算发酵罐尺寸,试验罐 D=375mm，d=125mm,(2)按几何相似原则确定20m3生产罐的尺寸：,据题设几何尺寸比例，放大罐与小罐相同，则有H/D2.4, D/d=3.0, HL/D=1.5, 而有效装料体积仍取60%，由此可得：,可得D=2.17m, H=2.4D=5.20m, d=D/3=0.72m, HL=1.5D=3.26m 这是按几何相似原则计算求得的20m3生产罐的尺寸。仍采用两组圆盘六直叶涡轮搅拌器。,以体积溶氧系数相等为基准,(3)计算试验罐的kLa,先求搅拌雷诺准数ReM,由功率系数,NP视搅拌强度及叶轮形式而定. 当发酵系统充分湍流时, 即ReM=104时, 对圆盘六直叶涡轮, NP=6.0;对圆盘六弯叶涡轮, NP=4.7;而对圆盘六箭叶涡轮, NP=3.7，由于此处ReM104,为圆盘六直叶涡轮，因此NP取为6.0,以体积溶氧系数相等为基准,所以2档叶轮的不通气时的搅拌功率为 ：,相应地，通气搅拌功率为 ： (下式中Qg的单位是ml/min),从而可以算出体积溶氧系数 ：,其中空截面气速为 ：,(3)决定大罐的量Qg:按几何相似原则放大设备，放大倍数越高，其单位体积液体占有的发酵罐横截面越小，若维持通气强度vvm不变，则放大后空截面气速则随罐容增大而迅速提高。因：,通气量Qg在维持通气强度vvm不变时，就有QgVLD3 而空截面气速为：,由此可见，随着发酵规模的增大，空截面气速us的增大与发酵罐直径的增大成正比，即与罐体积的立方根成正比。所以经放大的倍数较大时，则其空截面气速us有较大的增加。过大的us会造成太多的泡沫产生甚至跑料，而且消耗的通气功率也将太高。因此在发酵反应器放大时，必须全面考虑以确定通气流率。 若按通气强度不变，即取大罐的通气速率为1.0vvm，可算出通气量及相应的空截面气速为：,对比小罐的空截面气速(us=54.3cm/min),可见，若按通气强度不变，则大罐的通气截面气速约相当于小罐的6倍。经验表明，这种气速太高。故可折中取大罐的us=150 cm/min,由此可计算出大罐的通气速率为：,通气强度为：5.55/12=0.462 vvm,(4)按kLa相等原则计算放大罐的搅拌转速和搅拌功率,因,所以，7.01x10-6=7.434x10-8Pg0.56n0.7,所以，Pg=3356n-1.25,又根据Pg的又一表达式：,即：,比较两个不同的Pg表达式可得：,由搅拌轴功率公式可计算得到：,联立上面二式可计算得到：n=123 r/min P=10.2 kW Pg=8.19 kW,试验罐与放大计算结果比较,项目试验罐放大罐 公称体积V(m3)0.120 有效体积VL(m3)0.0612 放大倍数1200 直径D(m)0.3752.193 高径比H/D2.42.4 液柱高HL/D1.51.5 搅拌叶轮d/D1/31/3 通气强度(vvm)1.00.462 P/VL(kW/m3)1.240.789 Pg/VL(kW/m3)0.6580.704 搅拌转速n(r/min)350120 叶尖线速度npd(m/s)2.2914.593 kLa7.01x10-67.01x10-6,以P/VL相等为基准,利用经验公式求解kLa往往会有较大的误差，因此对某些发酵系统并不理想。而单位体积发酵液的搅拌功率P/VL与kLa有密切的关系且容易测量和计算。实践表明，对于溶氧速率控制发酵反应的非牛顿发酵液，把P/VL相等作为放大准则效果较好。 仍以上一例的数据为依据，以P/VL相等为基准进行放大计算。,对试验罐，有：,同理对放大罐，有：,根据P/VL相等原则，令(P/VL)1= (P/VL)2,可以得到：,由题设，知n1=350 r/min, d1=0.125 m,按几何相似原则放大，放大罐的d2=0.72 m,用d1和d2的值代入上面关系式，可求解出放大罐的搅拌转速：,因此，放大罐的搅拌功率P为：,因此，放大罐的通气搅拌功率Pg为：,取放大罐的通气强度为0.462 vvm,(与上一例相同)，则,代入上式得：,在上述条件下，相应的体积溶氧系数为：,试验罐与放大计算结果比较,项目试验罐放大罐 公称体积V(m3)0.120 有效体积VL(m3)0.0612 放大倍数1200 直径D(m) 0.3752.193 高径比H/D2.42.4 液柱高HL/D1.51.5 搅拌叶轮d/D1/31/3 通气强度(vvm)1.00.462 P/VL(kW/m3)1.241.18 Pg/VL(kW/m3)0.6580.85 搅拌转速n(r/min)350109 叶尖线速度npd(m/s)2.2914.172 kLa7.01x10-67.28x10-6,以搅拌叶尖线速度相等为基准,应用丝状菌进行发酵，因这类微生物细胞受搅拌剪切的影响较明显，而搅拌叶尖线速度dn是决定搅拌剪切强度的关键。若仅考虑维持kLa或P/VL相等而不考虑搅拌剪切的影响，可能导致放大设计失误。 在P/VL相等的条件下，d/D越小，搅拌剪切越强烈，这有利于菌丝体的分散和气泡的破裂细碎，有利于溶氧传质。 但是若搅拌叶轮直径(d/D)过小,则搅拌泵送能力下降，混合时间加长，这会影响反应溶液混合的均匀性。 通常对大多数的生物发酵，搅拌叶尖线速度宜取2.55.0 m/s.,小结：,研究工业发酵过程的三个阶段: 实验室规模 中试工厂规模 工厂生产规模 放大的方法：,单位体积的输入功率恒定 (P/V, also OTR),kLa恒定 (oxygen supply),Re恒定 (geometrically similar flow patterns),混合时间恒定 (mixing time),搅拌器末端速度恒定 (shear),Volumetric oxygen transfer coefficient (KLa) in 5L and 300L fermenter,P,大连民族学院,气升式反应器的放大,没有机械搅拌装置 压缩空气的压强、流量及空压机的型号规格是决定反应器能耗的关键 反应器的结构、发酵液的物化特性也起着重要的作用,鼓泡式反应器常以空截面气速为基准,通气能耗,当 HL=2m,当 HL2m,体积溶氧系数,混合时间,气升式反应器的设计,虽然生物气升式反应器是气液非均相体系，但是其最基本的原理和最重要的流体动力学参数是与纯水的液体喷射循环反应器相似的。 结构尺寸： 反应器高H 液位高H 反应器内径Dt 喷射管内径D1 循环管高LE 循环管直径Dr 循环管距底部Au,Dt,H,D1,Dr,LE,Au,H,M1,M2,基本设计参数,反应器高径比：s=H/DtH是液位高 反应器体积：VR=Dt2Hp/4 反应液质量：MR=rVR=rsDt3p/4 循环比：g=M3/M1=(M1+M2)/M1=1+M2/M1M3是总质量流率， M2是循环质量流率，M1是进出口质量流率 平均循环速率：um=8M3/rpDt2=8M1g/rpDt2 循环空速：gU=M3/MR=um/2H=tUm-1 平均循环时间：tUm=gU-1 平均停留时间：tm=MR/M1=gtUm=g/gU 喷嘴出口液体流速：u1=4V1/pD12=4M1/rpD12 喷嘴雷诺准数：Re1=u1D1/m1=4M1/m1r1pD1 平均雷诺准数Rem=umDt/mm=8M1g/mmpDt,其它的设计参数还有：,气含率 e 平均体积气含率 e=Vg/(Vg+VL)Vg是气泡总体积 混合时间 tm 体积传氧系数 kLa 对于气泡非并合液相，体积溶氧系数kLa完全取决于从空气分布器进入发酵液后的气泡大小。,循环阻力,很显然，平均循环速度越大，混合越强烈。循环的速度与阻力是相关的。,阻力准数zU,DPU是流体循环所引起的阻力,工程规模的反应器可用下式：,驱动循环的功率和效率,液体喷射功率PL,定态下液体喷射功率PL 必须大于循环功率PU,产生循环的效率用单位液体喷射功率的产生的循环功率表示,循环的效率还与气含率、喷嘴浸没高度等因素有关。,在相同的单体体积功率下气液喷射式循环反应器与搅拌反应器相比可以得到更高的kLa,热量传递,热量的传递 换热装置(夹套，蛇管，打循环到外部热交换器),Internal Coils,Jacketed Vessel,热量传递的经验公式,工程中热量传递计算的基础是假定过程为定态，此时热通量Q为：,ai和ao为器壁内表面Ai和外表面Ao上的传热系数，d为器壁的厚度，w为器壁材料的导热系数。平均壁面积和温度差如左式所示。,k为总传热系数，由下式定义：,式中，,