八反应器放大.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节 生物传感器的研究开发与应用,一、生物传感器在微生物发酵过程检测上的应用,二、动植物细胞培养过程的参数检测,三、生物传感器的类型及结构原理,1.,酶电极,2.,微生物电极,3.,免疫电极,4.,生物换能器件,第四节 生化过程控制概论,第一节 生物反应过程的放大：,生物反应系统,放大：,是指以,实验室或中试,反应设备取得的实验数据为依据，设计制造,大规模,的反应系统，以进行工业规模生产。,第六章生物反应器的比拟放大,生物工程产品的研究开发周期必须经过,3,各阶段：,实验室阶段,:,1,3L,摇瓶或反应器,中试阶段,:5,50L,发酵罐,工厂化规模,:m,3,一、生物反应器的放大目的,生物反应器的放大目的：,应用理论分析和实验研究相结合的方法，总结生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研究解决有关的质量传递、动量传递和热量传递问题，,以便在反应器的放大过程中,尽可能维持生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。,二、生物反应器放大方法,1.,生物反应器的传递现象与过程受两个机理控制：对流和扩散,对流,t,f,=L/v L,：反应器特征尺寸,v,：反应溶液对流运动速度,扩散,t,d,=L,2,/K k,：扩散系数,对于小型生物反应器：,反应速度控制：,tc,t,f,(t,d,),传递对反应器发大有重要影响,r,c,S,Sc,r,d,高基质浓度,r,d,r,c,=,max,=,r,c,低浓度时,r,d,10,4,N,降低,P/V,低,3.,准数构成,几何参数,D,、,H,、,dp,物理化学参数,过程变量,N,、,P,0,、,V,L,常数,g,、,R,(,四,),经验放大法,当今最常用的放大法，目前生物发酵工厂所用的好氧生物发酵反应器应用的经验放大比例：,放大准则,所占比例,维持,Po/V,30%,维持,k,La,30%,维持搅拌叶尖线速度,20%,维持培养液,.,营养浓度,20%,1.,生物工程产品的研究开发周期必须经过,3,各阶段,2.,生物反应过程的放大,3.,生物反应器的放大目的,4.,理论上，生物反应过程和生物反应器的开发和设计,过程应由下述三个步骤构成,5.,放大方法,理论放大方法,半理论放大方法,因次分析法,经验放大规则,比拟放大不是简单的按比例放大，而是建立在几何相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分分散等基本假设之上的。,放大与通气、搅拌等技术构成了生化工程的核心部分。,应用在微生物的放大方面，则需要由小试放大到中试进行讨论，这是生化工程的一个基本特征。,第二节 反应器比拟放大,化学工业中，每级放大在,50,倍以下，而且每级放大时需对前级参数进行修正。,生物工业中，放大的倍数有的高达,200,倍，如外国某公司用于单细胞蛋白生产的,300m,3,反应器是从,1.5m,3,反应器直接放大得到的。一般生物反应器的放大倍数为,10,。,（一）比拟放大的方法,1.,几何尺寸的放大,根据几何相似的原则,D,2,/D,1,=D,i2,/D,i1,=(V,2,/V,1,),1/3,D-,反应器直径,Di-,搅拌器直径,V-,反应器的装料容积,2.,通风量的放大,按单位体积液体通风量,Q/V,相等,大型反应器液柱高，空气在液体中所走的路程和气液接触时间均长于小型反应器。因此大型反应器的有较高的空气利用率，放大时大型反应器的,Q/V,比小型设备的,Q/V,小。,通气强度：,Q,1,/V,1,=Q,2,/V,2,Q,按通风截面空气线速度,Vs,相等放大,Q,2,=1/4D,2,Vs,2,按体积溶氧系数相等放大,经过实验和有关准数的整理，可得通风量,Q,与溶氧系数,k,La,(Q/V)H,L,2/3,k,La,-,体积溶氧系数（,1/h,）,Q-,通风量,(m,3,/min);,V-,发酵液体积,(m,3,),H,L,-,发酵液深度,(m),体积溶氧系数,k,La,=k(Pg/V,1,),v,s,或,kd,=(2.36+3.3n)(Pg/V,L,),0.56,vs,0.7,N,0.7,10,-9,3.,搅拌功率放大,P,O,2,n Di,Di,?n,比例放大确定,P n,3,D i,5,按雷诺准数,Re,相等放大,Re=nDi,2,L,/,根据,Re,1,Re,2,n,2,/n,1,=(Di,1,/Di,2,),2,=(D,1,/D,2,),2,在某些情况下可作为放大的依据,按单位体积液体消耗功率,P/V,相等放大,P n,3,D,i,5,P/V n,3,D,i,2,根据（,P/V,）,1,（,P/V,）,2,(n,3,D,i,2,),1,=(n,3,D,i,2,),2,n,2,/n,1,=(D,i1,/D,i2,),2/3,=(D,1,/D,2,),2/3,上述功率,P,是不通气时的搅拌功率，它与通气情况下的功率消耗是成比例的。,按体积溶氧系数相等放大,溶氧系数是所有好气性发酵的主要指标，任何通气发酵在一定条件下都有一个达到最大产率的溶氧系数，故维持大、小罐的溶氧系数相等进行放大是合理的。,K,La,=,k(P,g,/V,L,),Vs,（此为经验公式）,按搅拌器末端线速度,nD,i,相等放大,如果在小型设备中搅拌器所产生的最大剪切力已接近微生物的剪应极限，这时就必须按搅拌器末端线速度相等来进行放大。,n,1,Di,1,=n,2,Di,2,n,2,/n,1,=Di,1,/Di,2,按单位体积搅拌循环量,F/V,相等放大,对于连续发酵和在发酵过程中需要补料的分批发酵，要求整个反应器的液体快速均匀混合，使液体中产物和底物的浓度均匀一致，这时就必须按,F/V,相等的原则进行放大。,（,F/V,）,1,（,F/V,）,2,（二）机械搅拌发酵罐的比拟放大 及实例,1.,放大依据准则的选择,溶氧系数相等（,K,La,）,单位体积发酵液消耗功率相等（,P/V,）,p/v,或,k,la,目的产物浓度,有效放大区,（,1,）以体积溶氧系数相等为基准的比拟放大方法体积溶氧系数（亚硫酸盐氧化值）,kd,主要步骤,1,）确定试验设备的主要参数，并试算,kd,值,2,）按几何相似原则确定放大设备的,主要尺寸,3,）决定生产罐,通风量,4,）按溶氧系数相等的原则确定生产罐,搅拌功率及转速,（,2,）以单位体积发酵液消耗功率相等为基准的比拟放大方法主要步骤（,P/V,）,1,（,P/V,）,2,1,）确定试验设备的主要参数，并试算,kd,值,2,）按几何相似原则确定放大设备的,主要尺寸,3,）决定,通风量,4,）按,P/V,相等的原则确定,搅拌功率及转速,2,、通气发酵罐的放大设计实例,通气搅拌发酵罐的主要参数及计算公式,（,1,）不通气的搅拌功率,P,0,=N,p,N,3,D,i,5,式中，功率系数,Np,视搅拌强度及叶轮形式而定，当发酵系统为湍流时即,Re10,4,时对圆盘六直叶轮，,Np,=6.0,；圆盘六弯叶轮，,Np,=4.7,；圆盘六剑叶轮，,Np,=3.7,；,（,2,）通气的搅拌功率,Pg=2.2510,-3,（,P,0,ND,i,3,/Q,0.08,）,0.39,（,3,）体积溶氧系数,k,La,=k(Pg/V,1,),v,s,或,kd,=(2.36+3.3n)(Pg/V,L,),0.56,vs,0.7,N,0.7,10,-9,实际的生物反应器的放大过程，是应用亚硫酸钠氧化法的,kla,值相等的原则,某厂在,100L,机械搅拌发酵罐中进行淀粉酶生产试验，菌种为枯草杆菌，获得良好的发酵效果，拟放大至,20m,3,生产罐。,此发酵液为牛顿型流体,=2.2510,-3,pa.s =1020kg/m,3,用于计算,Re,试验罐的尺寸：,D=375mm Di=125mm,H/D=2.4,液深,H,L,=1.5D,4,块挡板,W/D=0.1,装液量,60L,通气速率,1.0vvm,使用两党圆盘六直叶涡轮搅拌器，,=350r/min,通过实验证明，此为高耗氧的生物反应，故可按,体积溶氧系数相等,之原则放大。,大罐尺寸,放大比例,通气量,求,Np,求,Pg N,一解：（,1,）计算试验罐,（小罐）,的,kd,值,先求雷诺准数,Re=D,i,2,/=4.1310,4,故发酵系统为充分湍流，功率准数,Np,=6.0,故不通气时的搅拌功率,P,0,=Np,3,D,i,5,=0.0741kw,通气的搅拌功率,Pg=2.2510,-3,（,P,0,ND,i,3,/Q,0.08,）,0.39,=0.0395kw,kd,=,(2.36+3.3n)(Pg/VL),0.56,vs,0.7,N,0.7,10,-9,=7.0110,-6,其中空截面气速为：,Q=V,L,1vvm=601000cm,3,/min,vs,=601000/(D,2,/4),(2),按几何相似原则确定,20m,3,生产罐的尺寸,100L,试验罐的尺寸：,D=375mm Di=125mm,H/D=2.4,液深,H,L,=1.5D,4,块挡板,W/D=0.1,装液量,60L,20m,3,生产罐的尺寸：,D=?,mmDi,=?mm,H/D=2.4,液深,H,L,=1.5D,4,块挡板,W/D=0.1,装液量,12 m,3,几何相似：装料系数,60%,，,H/D=2.4 D/Di=3,，,H,L,/D=1.5,V=(D,2,/4)1.5D,2060%=12=(D,2,/4)1.5D,D=2.17m,(3),决定大罐的通气量,Q,：,若维持通气强度不变：,通气强度：小罐,Q,1,/V,L1,=1vvm,Q,2,=V,L2,=12m,3,/min=1.210,7,cm,3,/min,相应的空截面气速为：,Vs=Q,2,/(D,2,/4)=324cm/min,太高，可折衷取,vs,=150cm/min,则：,Q,2,=vs(D,2,/4)=5.55(m,3,/min),通气强度,=5.55/12=0.462,通气强度降低，体积溶氧系数就会减小，,若保持其不变，需要改变搅拌功率,(4),计算放大罐的搅拌转速和搅拌轴功率,（,1,）不通气的搅拌功率,P,0,=N,p,N,3,D,i,5,（,2,）通气的搅拌功率,Pg=2.2510,-3,（,P,0,ND,i,3,/Q,0.08,）,0.39,（,3,）体积溶氧系数,kd,=(2.36+3.3n)(Pg/V,L,),0.56,vs,0.7,N,0.7,10,-9,联立求解：,N=123(r/min),P,0,=10.2(kw),P,g,=8.19(kw),二解：试验罐和放大罐的条件相同，试用,P,0,/V,L,相等的原则进行放大设计,对试验罐：,然后求得,P,0,Pg,kd,（,1,）不通气的搅拌功率,P,0,=NpN,3,Di,5,=14.2kw,（,2,）通气的搅拌功率,Pg=2.2510,-3,（,P,0,NDi,3,/Q,0.08,）,0.39,=10.02kw,（,3,）体积溶氧系数,k,d,=(2.36+3.3n)(Pg/V,L,),0.56,vs,0.7,N,0.7,10,-9,=7.28mol,O2,/mLmin atm(P,o2,),通气强度仍取,0.462,在发酵生产的放大实践中也证明，高耗氧的生物发酵，应用溶氧系数相等的原则放大是最好的方法。,对黏度较高的非牛顿型流体或高密度细胞培养，应用,P,0,/V,L,相等的原则进行放大效果较好。如青霉素发酵。,（三）以搅拌叶尖线速度相等的准则进行机械搅拌通风发酵罐的放大,大涡轮,标准涡轮,小涡轮,P,0,/V,L,新生霉素产率,D,i,N,测定实验罐的,Q,、,N,、发酵速率及几何尺寸,检测发酵液的特性：,、,（,s,）,计算实验罐的,VVm,、（,Q/NDi,3,）、,NDi,及,Re,等,预期,Np,、,P,0,/P,g,、,P,g,/V,L,、,K,La,进行放大计算,根据生产量和产率选择发酵罐的体积和个数,确定放大准则,通常对高好氧生物反应用,KLa,相等准则,按几何相似原则计算放大罐的尺寸,计算,Q,和,N,根据,vvm,相等原则,Q/NDi,3,相等准则,Vs,相等准则,利用搅拌器叶尖线速度,相等准则计算,N,方法,1,方法,2,根据,Pg,与,KLa,关系计算,N,根据,Pg,与,KLa,关系计算,Q,估算搅拌功率,二、气升式反应器的放大,（一）空气压缩机的能量消耗及溶氧传质,反应器的能耗：输入压缩空气的压强、流量及空气压缩机的型号。,空气压缩机的型号：,旋转式压缩机的效率为,80%90%,活塞式压缩机的效率为,73%90%,叶轮式压缩机的效率为,70%80%,1.,鼓泡式反应器的混合与溶氧传质,鼓泡塔公式,1,：,K,La,=0.0023,（,v,s,/d,s,）,1.58,成立的条件：,0.01,KLa,0.08s,-1,3 v,s,/d,s,43,-1,此外：,h,Vs,m,通气速率较低时，,0.7 n1.2,通气速率较低时，,0.4 n0.7,气升式公式,2,：,K,La,=,bv,s,m,式中,m=0.8,(,对水和电解质溶液,),B,是空气分布器类型和溶液特性的函数。,2.,气升环流式发酵反应器,液体流速,热量传递,混合特性,质量传递,循环速率,湍流情况,气泡大小,KLa,持气率,气泡上升速率,剪切速率,细胞生长,（二）气升式发酵罐的放大,气升式发酵过仍未有标准的放大方法。,鼓泡式可采用空截面气速保持不变为基准。,气升式发酵罐没有机械搅拌装置，故对生物细胞的剪切作用相对较弱，故此除了动物细胞 外，可不必考虑其剪切力。,