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1、1李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering9.1 概述概述1. 为什么要研究反应器放大？为什么要研究反应器放大？u反应器放大是生产规模的需要反应器放大是生产规模的需要u小的反应器、放大到大的反应器，会出现很多问题小的反应器、放大到大的反应器，会出现很多问题 传质问题、传热问题、混合问题、设备问题传质问题、传热问题、混合问题、设备问题u反应器放大是科学技术从实验室推向产业化的必经之路反应器放大是科学技术从实验室推向产业化的必经之路 实验室规模中试规模生产规模实验室规模中试规模生产规模2李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工
2、程基础Biochemical Engineering生物反应过程的研发包括三个不同规模的阶段生物反应过程的研发包括三个不同规模的阶段1 1 利用实验规模的反应器进行种子筛选、发酵反应利用实验规模的反应器进行种子筛选、发酵反应动力学和工艺条件的确定实验；动力学和工艺条件的确定实验；2 2 在中间规模的反应器上确定最佳的操作条件，验在中间规模的反应器上确定最佳的操作条件，验证和改进小试的结果；（中试）证和改进小试的结果；（中试）3 3 在大型生产设备中投入生产。（产业化）在大型生产设备中投入生产。（产业化）3李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engin
3、eering 生物化学工程师的任务生物化学工程师的任务就是：要力求保持不同规模就是：要力求保持不同规模中的生物反应有中的生物反应有最佳的外部条件。最佳的外部条件。 这些外部条件包括这些外部条件包括 化学的：化学的： 如基质浓度、菌体浓度，如基质浓度、菌体浓度， 物理的：物理的： 如传质特性、传热特性、混合能力、剪切力和功率如传质特性、传热特性、混合能力、剪切力和功率消耗等，特别是物理条件与设备几何特性等。消耗等，特别是物理条件与设备几何特性等。4李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering理想的放大目标理想的放大目标 1 反应器的比例一
4、样（样子一样）反应器的比例一样（样子一样） 2 反应器供氧一样反应器供氧一样 3 搅拌一样搅拌一样 4 传质、传热、混合一样传质、传热、混合一样 5 各个参数都相同或者按照比例放大。各个参数都相同或者按照比例放大。能做到吗能做到吗？抓住主要矛盾！，尽量满足关键参数的一致抓住主要矛盾！，尽量满足关键参数的一致抓住主要矛盾！，尽量满足关键参数的一致抓住主要矛盾！，尽量满足关键参数的一致5李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering 生物过程的关键的问题有：生物过程的关键的问题有：生物过程的关键的问题有：生物过程的关键的问题有： 供氧满足要求
5、，剪切力不能过大，营养物质和代谢物供氧满足要求，剪切力不能过大，营养物质和代谢物( (包包括产物括产物) )的质量传递符合要求。的质量传递符合要求。 生物反应器的设计放大主要解决的是：生物反应器的设计放大主要解决的是：生物反应器的设计放大主要解决的是：生物反应器的设计放大主要解决的是： 设备几何尺寸的放大，通气量的确定，搅拌功率和搅拌转设备几何尺寸的放大，通气量的确定，搅拌功率和搅拌转速的确定。速的确定。 通常生物反应器的设计放大是以反应器通常生物反应器的设计放大是以反应器几何相似几何相似为前提，为前提，根据对象，以某个关键参数相等为原则进行的。根据对象，以某个关键参数相等为原则进行的。6李强
6、化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering9.2 细胞生物反应器的放大设计细胞生物反应器的放大设计 1） 几何尺寸的放大几何尺寸的放大 2 ）通气量的放大）通气量的放大 3 ）搅拌功率和搅拌转速的放大）搅拌功率和搅拌转速的放大7李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering1） 几何尺寸的放大几何尺寸的放大 由几何相似可知由几何相似可知 V V2 2/V/V1 1称为放大倍数。称为放大倍数。 几何相似时，不同规模的设备的对应几何相似时，不同规模的设备的对应尺寸均成比例。尺寸均成比例。
7、 有了大的发酵罐！有了大的发酵罐！有了大的发酵罐！有了大的发酵罐！8李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering2） 通气量的放大通气量的放大(1) (1) 用用单位体积培养液单位体积培养液单位体积培养液单位体积培养液在在单位时间（分钟）单位时间（分钟）单位时间（分钟）单位时间（分钟）里所里所通空气量通空气量VVMVVM表示表示其中其中 Q Qg g 操作状态下操作状态下操作状态下操作状态下的空气流量。的空气流量。 V V 培养液体积。培养液体积。1) 通气量的表示通气量的表示9李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础B
8、iochemical Engineering (2) (2) 用用在标准状态下在标准状态下在标准状态下在标准状态下反应器单位面积上空气流量反应器单位面积上空气流量w ws s表示表示( (类似于空塔气速类似于空塔气速) ) 其中其中 P P 罐绝对压力罐绝对压力+0.5+0.5液位高液位高 T T 罐温罐温 K K A A 罐的截面积罐的截面积 m m2 2 w ws s通常可以用通常可以用Q Qg g/A/A来计算（估算）来计算（估算） 10李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering (1)(1)以以VVMVVM相等为原则相等为原则
9、 其中：其中：D DT T：为发酵罐内径。：为发酵罐内径。 Q Qg2g2：放大的发酵罐通气流量：放大的发酵罐通气流量有了大发酵罐通气量！有了大发酵罐通气量！有了大发酵罐通气量！有了大发酵罐通气量！成立的条件成立的条件成立的条件成立的条件？2)放大方法放大方法11李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering(2) (2) 以以w ws s相等为原则，则通气量为相等为原则，则通气量为( (操作条件下操作条件下) )有了大发酵罐通气量！有了大发酵罐通气量！有了大发酵罐通气量！有了大发酵罐通气量！12李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生
10、物化学工程基础Biochemical Engineering以以VVM相等和以相等和以ws相等放大结果比较相等放大结果比较前提条件：几何相似！前提条件：几何相似！前提条件：几何相似！前提条件：几何相似！HT：发酵罐的高度：发酵罐的高度如果以如果以VVM相等相等13李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering如果以如果以ws相等，则：相等，则：前提条件：几何相似？前提条件：几何相似？前提条件：几何相似？前提条件：几何相似？14李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering3） 搅拌功
11、率和搅拌转速的放大搅拌功率和搅拌转速的放大(1) (1) 以单位体积功率（不通气）相等为原则以单位体积功率（不通气）相等为原则大发酵罐大发酵罐大发酵罐大发酵罐搅拌转速搅拌转速搅拌转速搅拌转速确定了！确定了！确定了！确定了！大发酵罐大发酵罐大发酵罐大发酵罐搅拌功率搅拌功率搅拌功率搅拌功率确定了！确定了！确定了！确定了！几何相似几何相似!15李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering(2) (2) 以以K KL La a相等为原则相等为原则Michel 经验式经验式几何相似16李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Bio
12、chemical Engineering由N1可以计算出N2再由N2可以分别计算出 不通气搅拌功率P 通气搅拌功率Pg17李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering9.3 9.3 实际放大的例子实际放大的例子某工厂在有效容积某工厂在有效容积62升发酵罐上生产升发酵罐上生产-淀粉酶，要放大到有效容积淀粉酶，要放大到有效容积12M3，试计算：，试计算： 1) 大罐主要几何尺寸大罐主要几何尺寸DT，Di，HL，Wb。 2) 通气量通气量 (Qg)2，表观线速度，表观线速度 ws。 3) 搅拌功率搅拌功率(Pg)2，转速，转速N2。已知：发酵
13、液：密度已知：发酵液：密度 1010Kg/M3，粘度，粘度 2.2510-3 Ns/M2； 小罐：小罐：(DT)1=0.375M, DT/Di=3，HL/DT=1.5，Wb/DT = 0.1，装液量，装液量62升，四片挡板，升，四片挡板，双层双层六弯叶涡轮搅拌桨。六弯叶涡轮搅拌桨。 转速转速N1=350转转/min，通气量，通气量VVM=1M3/M3.min18李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering解：解：解：解：1 1 大罐的几何尺寸确定大罐的几何尺寸确定大罐的几何尺寸确定大罐的几何尺寸确定(HL/DT=1.5)(装液量装液量0
14、.6)(DT/Di=3)(Wb/DT=0.1)19李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering2 2 大罐的通气量与空气线速度大罐的通气量与空气线速度大罐的通气量与空气线速度大罐的通气量与空气线速度 1）设）设 ， 则则20李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering 所以所以可见可见 (ws)2(ws)1，可能易引起液体夹带和罐体震动。，可能易引起液体夹带和罐体震动。21李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering2 2
15、）设）设( (w ws s) )2 2( (w ws s) )1 1constconst，已知，已知( (w ws s) )1 133.75m/h33.75m/h，所以，所以 可见大罐很可能通气不足。可见大罐很可能通气不足。 22李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering取一经验数据取一经验数据 (ws)2 = 90m/h，（经验取值）这样，（经验取值）这样可以接受的可以接受的VVM数值数值确定了通气量确定了通气量!23李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering3 3 求求求
16、求( (P Pg g) )2 2，N N2 2 设设KLaconst (以以KLa为常数放大为常数放大) 1) 求求(KLa)124李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering25李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering 所以无通气的搅拌功率为所以无通气的搅拌功率为上式在上式在DT/Di=3, HL/DT=1.5比例下得出比例下得出26李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering校正校正1：几何形状校正几何形状校正校正
17、校正2：搅拌桨层数校正搅拌桨层数校正所以无通气搅拌功率为所以无通气搅拌功率为27李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering有通气时，有通气时，所以所以可见，功率消耗只有无通气时的可见，功率消耗只有无通气时的35。 （0.0574KW） Michel 经验式经验式28李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering已知已知 (ws)1 = 33.75m/h，所以，所以 多层搅拌桨的KLa求取经验公式29李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical E
18、ngineering2）求）求(Pg)2 与与N2Michel 经验式经验式30李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering31李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering由上可得由上可得32李强化工系生化所抗体与生物催化工程实验室生物化学工程基础Biochemical Engineering9.4 反应器放大应该注意的问题反应器放大应该注意的问题1.注意放大后的数据与经验值的适合程度2.经验公式的适用范围和单位3.注意公式条件的重新验证4.实际设计要预留保险系数5.选择实际设备的圆整问题。下节课再见了下节课再见了
