08_发酵罐放大与设计
合集下载
【发酵工程_第九章_发酵罐放大与设计
本章小结
了解发酵罐的类型，掌握通用式发酵罐的 基本结构
了解发酵罐设计的基本原则和要求 了解发酵罐放大设计的方法 了解重组菌生物反应器的特别要求
Thank you for your attention !
说明
竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用， 此外不另加档板。 一般装4块档板，可满足全档板条件。
档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆 柱底）为止。
档板与罐壁间留缝隙，距离为（0.2—0.4） W，目的是去除死角。
4.消泡器
作用：破碎气泡，改善供氧，防污染。 消泡桨形式 内部 慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径10-20mm）。 快速：对底搅拌可在罐顶装半封闭涡轮消沫器， 单用电机。 旋风分离 外部 适于不易染菌的发酵工艺 叶轮离心式 消泡桨直径：L=（0.8-0.9）D，以不妨碍旋转为原则 与消泡剂合用
轴承
为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底 轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和 中间轴承的水平位置应能适当调节。 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑 料轴瓦(如聚四氟乙烯等)。 轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4~0.7％。为 了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触处的轴上 增加一个轴套。
Q ( g Q ( g VL VL )2 )1 ( H L )1 (H L ) 2
2 3 3
2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
∵ ∴
Qg WS D 2
V D3
HL D
1 WS 2 D ( 2 ) 3 D1 WS 1
又∵
(VVM ) V L (VVM ) D WS 2 P PD
第四章 发酵罐的比拟放大(生化工程)
③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。
④按搅拌器末端线速度 nDi 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。
五、比拟放大的方法 （1）几何尺寸的放大
根据几何相似的原则 D2 /D1 =Di2 /Di1 =(V2 /V1) 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
①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。 ②按通风截面空气线速度 Vs相等； 放大反应器空截面的空气线速度 Vs 的大小表征了液 体的通风强度。对于空气利用率较好的反应器，大罐 的 Vs 应适当大于小罐的。 ③按通风准数相等放大； ④按体积溶氧系数相等放大。
⑤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。
六、机械搅拌发酵罐的比拟放大
放大依据准则的选择 溶氧系数相等：单位体积发酵液消耗功率相等 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 ）按集合相似原则确定放大设备的主要尺寸 3 ）决定通风量 4 ）按溶氧系数相等的原则确定搅拌功率及转速 以单位体积发酵液消耗功率相等为基准的比拟放大步 骤前3步如前，第四步以 P/V 相等计算功率和转速。
第七章发酵罐的比拟放大PPT课件
通用式（机械搅拌）、伍式、自吸式发酵罐 2）外部液体搅拌发酵罐 3） 空气喷射提升式发酵罐
高位塔式发酵罐
10
3、 按容积分类
❖ 500L以下的是实验室发酵罐 ❖ 500-50000L是中试发酵罐 ❖ 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
❖ 分批发酵和连续发酵
11
四、 机械搅拌发酵罐
（一）、 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
12
标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.7-4 d/D=1/2-1/3 W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2
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
18
轴向式 搅拌器
径向式 搅拌器
19
4) 档板
❖ ※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧速
率 ❖ 从液面至罐底 ❖ 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防
第七章 发酵罐的比 拟放大
1
发酵设备
❖ 什么是发酵设备？包括那些设备？ ❖ 种子制备设备 ❖ 主发酵设备 ❖ 辅助设备（无菌空气和培养基制备） ❖ 发酵液预处理设备 ❖ 产品提取与精致设备 ❖ 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
2
❖ 主发酵设备或称为发酵罐 ❖ 是发酵工程中最重要的设备之一
3
5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等
高位塔式发酵罐
10
3、 按容积分类
❖ 500L以下的是实验室发酵罐 ❖ 500-50000L是中试发酵罐 ❖ 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
❖ 分批发酵和连续发酵
11
四、 机械搅拌发酵罐
（一）、 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
12
标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.7-4 d/D=1/2-1/3 W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2
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
18
轴向式 搅拌器
径向式 搅拌器
19
4) 档板
❖ ※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧速
率 ❖ 从液面至罐底 ❖ 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防
第七章 发酵罐的比 拟放大
1
发酵设备
❖ 什么是发酵设备？包括那些设备？ ❖ 种子制备设备 ❖ 主发酵设备 ❖ 辅助设备（无菌空气和培养基制备） ❖ 发酵液预处理设备 ❖ 产品提取与精致设备 ❖ 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
2
❖ 主发酵设备或称为发酵罐 ❖ 是发酵工程中最重要的设备之一
3
5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等
第五章、发酵罐的设计与比拟放大
机械搅拌发酵罐的放大 一、比拟放大方法 (一)、放大依据 氧传递速度相等； 1、氧传递速度相等； 2、比较搅拌桨叶顶端速度 在通气培养时，比较单位液量所需的搅拌功率； 3、在通气培养时，比较单位液量所需的搅拌功率； 混合时间相同； 4、混合时间相同； 雷诺准数相等； 5、雷诺准数相等； 通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致。 6、通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致。 前五项都是以化学工程学为基础的物理方法。 前五项都是以化学工程学为基础的物理方法。第六项是 以控制环境条件调节所培养的微生物的生理变化( 以控制环境条件调节所培养的微生物的生理变化(细胞 内代谢活性变化) 内代谢活性变化)，以达到重复所需产物生成过程的方 法。
两个例外 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时， 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时 ，营养物 从油滴表面扩散的速度对生长限制， dX/dt为常数 为常数， 从油滴表面扩散的速度对生长限制 ， dX/dt 为常数 ， 从而显示线性生长。 从而显示线性生长。 在某些情况下，丝状微生物的生长速度也不符合指 在某些情况下， 数生长方程。由于这些微生物进行顶端生长， 数生长方程。 由于这些微生物进行顶端生长，营养 物在细胞组织中扩散， 物在细胞组织中扩散， 生长速度符合分数级反应速 度公式(如立方根生长) 度公式(如立方根生长)。
(二)、放大方法 1、几何尺寸放大 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等， 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等，一般是根 据几何相似原则放大的。大设备的体积V 据几何相似原则放大的 。 大设备的体积 V2与小设备 的装料体积V 之比，称为体积放大倍数。 的装料体积 V1之比， 称为体积放大倍数 。 在放大过 程中，一般采用大、小反应器直径之比D 程中，一般采用大、小反应器直径之比D2/D1，并定 义为放大比。在机械搅拌反应器中，若放大时几何 义为放大比。 在机械搅拌反应器中， 相似， 则放大比还可用搅拌器直径之比D 相似 ， 则放大比还可用搅拌器直径之比 Di2 ／ Di1 来 代替。 代替。 因：V∝D3 则：D2/D1 = Di2／Di1 = (V2/V1)1/3
两个例外 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时， 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时 ，营养物 从油滴表面扩散的速度对生长限制， dX/dt为常数 为常数， 从油滴表面扩散的速度对生长限制 ， dX/dt 为常数 ， 从而显示线性生长。 从而显示线性生长。 在某些情况下，丝状微生物的生长速度也不符合指 在某些情况下， 数生长方程。由于这些微生物进行顶端生长， 数生长方程。 由于这些微生物进行顶端生长，营养 物在细胞组织中扩散， 物在细胞组织中扩散， 生长速度符合分数级反应速 度公式(如立方根生长) 度公式(如立方根生长)。
(二)、放大方法 1、几何尺寸放大 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等， 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等，一般是根 据几何相似原则放大的。大设备的体积V 据几何相似原则放大的 。 大设备的体积 V2与小设备 的装料体积V 之比，称为体积放大倍数。 的装料体积 V1之比， 称为体积放大倍数 。 在放大过 程中，一般采用大、小反应器直径之比D 程中，一般采用大、小反应器直径之比D2/D1，并定 义为放大比。在机械搅拌反应器中，若放大时几何 义为放大比。 在机械搅拌反应器中， 相似， 则放大比还可用搅拌器直径之比D 相似 ， 则放大比还可用搅拌器直径之比 Di2 ／ Di1 来 代替。 代替。 因：V∝D3 则：D2/D1 = Di2／Di1 = (V2/V1)1/3
发酵罐改进放大设计
２００６年８月收稿日期：２００６－０４－１２作者简介：门芳（１９７２－），山东青州人，学士学位，机械工程师，主要从事机械制造专业。
农业装备与车辆工程ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ２００６年第８期（总第１８１期）Ｎｏ．８２００６（Ｔｏｔａｌｌｙ１８１）发酵罐改进放大设计门芳，谢蕾（鲁信高新技术产业股份有限公司，山东淄博２５５０５５）摘要：针对２５ｍ３氢化可的松发酵罐存在的几个问题的改进，并进行容量扩大至５０ｍ３设计，从而提高了罐的性能和产品的产量及质量。
关键词：发酵罐；搅拌轴；传动结构；传热结构；轴封；中间轴承中图分类号：ＴＱ９２０．５文献标识码：Ｂ文章编号：１６７３－３１４２（２００６）０８－００５３－０２１２５ｍ３发酵罐存在问题我公司的氢化可的松发酵罐体积为２５ｍ３，技术水平远远落后国内外先进水平，其原因很多，主要有以下几方面：（１）搅拌轴的传动问题２５ｍ３发酵罐的传动采用三角皮带传动装置，已使用了３０余年。
这种传动方式非常落后，大皮带轮直径为１５００ｍｍ，传动装置体积庞大，占据了罐顶的大部分空间，对罐顶上的开孔接管及操作都带来了不便。
因工作需要，将罐设计放大到５０ｍ３，皮带轮直径与电动机的尺寸和功率也相应增大，这样单个皮带轮的质量将有几吨，使得罐顶更显庞大。
皮带传动效率低，只有７０％￣８０％，而且容易打滑，在检修时拆卸笨重的零件也不是轻而易举的事情。
新的发酵工艺要求开始时转速高，以后随着发酵菌丝增加转速要逐渐下降，这样可提高发酵单位，提高产量，同时节约能耗，具有较大的经济效益。
因此，在５０ｍ３发酵罐设计中急需改进传动装置，达到紧凑高效且能变速。
（２）传热结构２５ｍ３发酵罐的传热方式为罐内盘管装置，共有６组，占据了罐内部分位置，由此带来了许多问题：ａ．罐内布置了大量的盘管组，结构复杂，制造和检修麻烦；同时相对减少了设备的有效容积。
ｂ．由于结构复杂，增加了许多缝隙，不易消毒，容易污染。
发酵工程与设备第九章、第一讲-发酵放大与设计
缺点
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
H / D = 1.7 ～ 4 d / D = 1/2 ～ 1/3 W / D = 1/8 ～ 1/12 B / d = 0.8 ～1.0 (s/d)2 = 1.5 ～2.5 (s/d)3 = 1 ～2
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封； 防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
填料函
构成 优点：结构简单、价格低
缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速 ρ—流体密度； μ—流体粘度
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
H / D = 1.7 ～ 4 d / D = 1/2 ～ 1/3 W / D = 1/8 ～ 1/12 B / d = 0.8 ～1.0 (s/d)2 = 1.5 ～2.5 (s/d)3 = 1 ～2
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封； 防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
填料函
构成 优点：结构简单、价格低
缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速 ρ—流体密度； μ—流体粘度
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
9 微生物工程 第九章 发酵罐的设计与放大
④ 使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化；
⑤ 强化相间的传质；
⑥ 强化传热。
发酵罐的组成：
主要包括
釜体
搅拌装置
传热装置 轴封装置
其他的附件：
各种接管（为了便于检修内件及加料、排料）、 温度计、压力表、视镜、安全泄放装置等。
釜体：由筒体和两个封头组成。 作用：为物料进行化学反应提供一定的空间。 搅拌装置：由传动装置、搅拌轴和搅拌器组成。
④ 固定化发酵罐：
圆筒形的容器中填充固定化酶或固定 化微生物进行生物催化反应的的装置。
生物利用率高。
⑤ 自吸式发酵罐：
特点：不需其他气源提供压缩空气，搅拌器带有中
央吸气口。搅拌过程中自吸入过滤空气，适用于需
氧低的发酵。
与通用发酵罐的主要区别
① 特殊的搅拌器（由转子和定子组成）；
② 没有通气管。
叶尖端线速度
n1d 1 n 2d 2
n2 d 1 n1 d 2
放大方法
经验
放大法
量纲 分析法
时间 常数法
数学模型 放大法
某一变量与变化率之比
经验放大法
几何相似放大法
非几何相似法
(1)几何相似放大法：
放大后发酵罐的空气流量、搅拌转速和 消耗功率——操作参数的放大。
空气流
几何尺寸 的确定
右图为改进的 旋风式消泡器， 它可以和消泡 剂盒配合使用， 并根据发酵罐 内的泡沫情况 自动添加消泡 剂。
（5） 空气分布器
作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。
形式：单管；环形管
空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气
泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。
第八章发酵罐的比拟放大
2．pH值 pH值
• 发酵过程中，培养基pH的变化主要决定于培养 基的成分和微生物的代谢特性，这是由于微生 物不断消耗和利用营养物质，同时又分泌各种 代谢产物到培养基中去的结果。 • 培养基的pH值是反映了微生物对营养物质进行 同化和异化作用后的最终氢离子浓度。 • 显然在固定的培养条件下，微生物发酵过程中 pH的变化是有一定规律性的，掌握这种变化， 对于判断和控制发酵生产有相当重要的意义。
最简单的温度测定方法是观察发酵罐罐壁上 的温包内的温度计。然后，对照工艺规程，罐温 偏高时，开启自来水(或冷却水)的阀门，使发酵 液温度降至规定的温度。升温或降温终了时，应 注意出现滞后现象。适时合理的控制往往需要一 定的经验和技巧。
温度自控方法，可采用热电偶或热变电阻器 或金属电阻温度计，这些热敏感元件都能将温 度变化转变成电信号，然后与控制仪表相连， 并且经各类控制开关或回路将指令传给执执行 元件，同样可以开启或关闭冷却或加热装置， 使罐温维持恒定。
在发酵工程中是否适用和发酵工 程中所用的比拟放大方法
• 发酵过程是一个复杂的生物化学过程，影响这 个过程的参数有物理的、化学的、生物的，有 些虽然已经被认识了，但目前还不能准确快速 地测量，有些则尚未被认识。 • 现在只研究了少数参数对此过程的关系，而假 定其它参数是不变的，实际上不可能都是不变 的。因此发酵生产过程设备比似放大理论与技 术的完善，有赖于对发酵过程的本质的深入了 解。
• 测定pH的方法：
• a.通常可用pH试纸测定; • b.精确的则用pH计测定。 • 目前已有可经消毒的pH电极装入发酵罐内定时 直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表 连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。
3．泡沫的检测和控制
• 最简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫 产生情况，发现泡沫持续上升时，开启消泡剂 贮罐的阀门，流加少量消泡剂，使泡沫消失即 可。 • 也可在罐内顶部装一不锈钢探头并与控制仪表 连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。当泡沫 上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装 置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂， 泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。
第五章_发酵罐的比拟放大..
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
掌握对象的规律，对其作出数学描述，建立 方程，然后通过方程的求解或数值计算进行 工厂的设计计算，这是人们的普遍期望。由 于生物反应过程的复杂性，这种以数学解析 为基础的方法至今仍成效不大，解决生物反 应器放大问题的本质在于寻找反应器的几何 尺度、操作条件与环境因素的确切关系，以 使在实验室中的优化环境能在工业中重演。
富积了CO2；罐压也应引起注意；如果气-液 间的质量传递快于轴向混合，会存在轴向上 的氧浓度梯度；CO2 的浓度也会带来问题， 特别是在反应器上部以及当反应器在高罐压 下运行时。
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
另外，氧的溶解度很低(10×l0-4)，在很短 的时间内(30 s)，细胞中氧的供给就会达到 临界值。在高粘度发酵液中，还会形成径 向梯度，叶轮周围氧传递速率高，应使其 他区域的微生物在氧消耗到临界值之前循 环进入叶轮周围区域。
生物工程专业课程
生 化 工 程 2)剪切应力 由于对剪切应力和形态之间的
内部联系缺乏了解，特别是对于形成微胶粒 第 五 的微生物，叶轮最大线速率(叶尖速率)的放 章 大总是凭经验来确定。
发 酵 罐 的 比 拟 放 大
生物工程专业课程
生 化 3)氧传递速率、在生物反应器的放大中，还 工 要考虑其他因素。 程 第 工业规模反应器的高径比大于实验室规模反 五 应器；当气体向上流动时，既提供了氧，也 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
生物工程专业课程
生 化 工 程 第 五 章 发 酵 罐 的 比 拟 放 大
例题：page 66
第一步：试验罐 kd 值计算
第一篇第六章 发酵罐的比拟放大
2. 罐体积 公称体积：是指罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。
底封头体积可从化工设计手册中查得。
（根据罐的形状、直径、 壁厚） 对于椭圆形封头体积：
1 V1 D hb D ha D (hb D ) 4 6 4 6
2 2 2
hb——椭圆封头的直边高度；
ha——椭圆短半轴长度，标准椭圆
—— 液体密度（kg/m2） n ——涡轮转数（r/s)
功率准数
μ ——液体粘度（N•s/m2 ）
R
em
m
D ——涡轮直径（m）
P0
为无因次数
2
NP
R
n D
3
5
搅拌雷诺数：
em
D n
功率准数NP是搅拌雷诺数Rem 的函数
雷诺数：Re =
du
d ——管道直径
流动总是层流型态; 外界条件有关，称作过渡区；
NP ≈4.7 NP ≈3.7
P0
∵
NP =
n
3
D
5
1——螺旋桨
3——圆盘弯叶涡轮
2——圆盘平直叶涡轮 4——圆盘箭叶涡轮
∴ p0 =
拌轴功率
NP ρn3D5
(w)
先算出Rem，可从图上查出NP，再由上式可计算出不通气时单只涡轮搅拌器的搅
（二）通气搅拌功率Pg 同一搅拌器在相同的转速下，通气与不通气时输入液体功率哪个低？ 通过实验， 通气时输入液体功率低，常见的解释是通气（从底部）使液体的重 度 降低。 pg 与 p0 以及通气量Q有何关系： 迈凯尔（Michel） 、福田秀雄等先后研究得经验公式：
所以发酵罐全体积为：
发酵罐的设计与放大
2.按照发酵设备特点分类
• 机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐。 前者包括循环式，如伍式发酵罐、文氏管发酵罐、 以及非循环式的通风发酵罐和自吸式发酵罐。后 者包括循环式的气提式、液提式发酵罐以及非循 环式的排管式和喷射式发酵罐。
• 特点：采用不同的手段使发酵 罐内的气、固、液三相充分混 合，从而满足微生物生长和产 物形成对氧的需求。
• 轴封装置为搅拌罐和搅拌轴间的密封，以防 止反应物料的逸出和杂物的渗入。通常采用 填料密封或机械密封。
• 发酵罐的特点 必须具备足够的强度、密封性、耐蚀性及稳定性。
发酵罐的工作要求
清洁卫生；反应过程能保持恒定的温度，以利于发 酵菌很好地进行发酵；搅拌器使物料混合均匀、加快反 应速度、缩短发酵周期、强化传热；将发酵过程中产生 的热量及时带走，保证反应正常进行。
• 对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢 制成，衬里用的不锈钢板厚为2~3毫米。为了 满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实 消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为 2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
• 1帕斯卡=1牛顿/平方米(1N/㎡) • 1兆帕=1000000帕 • 大气压：压强的一种计量单位。其值等于
拌采用螺旋桨，用以加强轴向流动；下搅拌采用 涡轮桨分散气体，可以提高氧传递效率。这种设 计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长。
• (3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效 地提高氧传递效率的发酵罐。混合时间短，即使 对十分黏稠的液体也有同样效果，消除了罐顶的 空间，空气在罐内的滞留时间比通气搅拌罐长。 改良型通风式发酵虽然有一些改进，但是它 的实际应用却远没有通风发酵广泛。
罐体的尺寸比例
✓ 罐体各部分的尺寸有一定的比例， 罐的高度与直径之比一般为 1.7~3左右。(为何不能再高？氧 利用率高)
第八章发酵罐比拟放大
在几何相似前提下：
P01 P02 V1 V2
P01 NPn13D5i1
P02
N
P
n
3 2
D
5 i2
V1 D13 D3i1
V2
D
3 2
D3i2
n13D12
n
32D
2 2
2
n2
n1
D1 D2
3
以上由单位体积不通风时搅拌功率相等、几何 相似放大，推导求出生产发酵罐的转速，并知： 发酵罐越大转速越低。
μ1=μ2
Q1 Q2 V1 V2
Q1
4
D121
Q2
4
D222
V1 D13
V2 D32
1 2
D1 D2
通过以上推到，说明在几何相似前提下，通 风比相等，发酵罐越大，空罐截面气速越高，有 体积溶氧系数计算公式可知，大发酵罐溶氧比小 发酵罐溶氧效果好。
三、单位体积不通风时搅拌功率相等比拟放大
1
2 3 1
1 1
因：Q gD2，VL D3
g 2 g 1
1
D2 D1
3
又因：
g
vvmVL
pD2
vvmD
p
vvm 2 vvm 1
g 2 p2D1 g 1 p1D2
1
D2 D1Fra bibliotek3
D32 D13
D2 D1
3
D2
D13
V2 V1
第四章 发酵罐的比拟放大及过程监控
第四章发酵罐的比拟放大及发酵过程监控第一节发酵罐的比拟放大一、比拟放大的内容罐的几何尺寸、通风量、搅拌功率、传热面积和其他方面的放大问题，这些内容都有一定的相互关系。
二、比拟放大的依据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。
雷诺准数在化学工程领域中，雷诺准数Re对于研究和解决流体的流动、热量传递、质量传递等方面的理论和实际问题都有着重要的作用。
三、比拟放大和它的基本方法比拟放大:是把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放大。
•首先必须找出表征着此系统的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义的无因次数，并建立它们间的函数式，然后用实验的方法在试验设备中求得此函数式中所包含的常数和指数，则此关系式在一定条件下便可用作为比似放大的依据。
比拟放大是化工过程研究和生产中常用的基本方法之一。
在发酵工程中是否适用和发酵工程中所用的比拟放大方法•发酵过程是一个复杂的生物化学过程，影响这个过程的参数有物理的、化学的、生物的，有些虽然已经被认识了，但目前还不能准确快速地测量，有些则尚未被认识。
•现在只研究了少数参数对此过程的关系，而假定其它参数是不变的，实际上不可能都是不变的。
因此发酵生产过程设备比似放大理论与技术的完善，有赖于对发酵过程的本质的深入了解。
•发酵工程中所用的比拟放大方法有：等KLa, 等πDN, 等Pg/V, 等Re或动量因子,相似的混合时间等。
第二节发酵过程的控制和监测一、发酵过程的监测内容与方式发酵过程的参数检测意义•在发酵过程中，过程状态经历着不断的变化，尤其是批发酵这种状态的变化更快。
•底物和营养物由于生物活性而变化，生物量的增加和生物量组成也在变化(包括物理、生化和形态学上的变化），而各种具有生物活性的产物被积累。
•发酵过程检测和控制的目的就是利用尽量少的原料而获得最大的所需产物。
第八章发酵罐比拟放大
K
La
Q VL
H
2 3
L
其中， Q 为操作状态下的通气流
量， m 3 / min ；
H
为液柱高，
L
m ； V L 为发酵液体积，
m 3；则：
K L a 2 K L a 1
Q VL
H
2
L
2 3 2
Q VL
1 H
L
D 3
1
g g
2 1
D D
2 1
3
7
又因：
g
vvm VL
pD 2
vvm
p
D
1
vvm vvm
2 1
g g
2 p2D1 1 p1D 2
D D
2 1
3 p2D1 p1D 2
2
D D
1 2
3
p2 p1
8
第六节固体通风培养设备
啤酒生产大麦发芽设备（过程通风） 麸曲培养设备
9
P 01
N
P
n
3 1
D
5 i1
P 02
N
Pn
3 2
D
5 i2
V1
D
3 1
D
3 i1
V2
D
3 2
D
3 i2
5
n
3 1
D
2 1
n
3 2
D
2 2
2
n2
n 1
D1 D2
3
以上由单位体积不通风时搅拌功率相等、几何 相似放大，推导求出生产发酵罐的转速，并知： 发酵罐越大转速越低。
6
KLa相等放大
有的文献提出：
D
2 1
7-发酵罐的放大设计
7.3 发酵罐放大设计方法
一、以kLa为基准的比拟放大 在生物反应器的放大中，通常保持体积 氧传递系数(体积溶氧系数)的恒定。这巳 由需氧发酵的工业生产结果得到证实。 现在的主要问题是如何提供足够的氧。 虽然足够的氧供给并不意味着良好的混 合。
※发酵液的溶氧传质速率(OTR)
OTR=kl a c c 式中 kl a－以 c c 为推动力的 体积溶氧系数， 1/ h或1/ s; c－发酵液中溶氧浓度，mol/m3； c－相同温度和压强下 发酵液的饱和溶氧浓度，mol/m3 一般情况下 则 c 5％～10％c OTR 0.95kl a
7.4 发酵罐设计步骤
1、设计任务与要求 2、设计说明及计算 ⑴物料衡算及热量衡算、反应器尺寸； ⑵反应器的初步设计计算； ⑶发酵工艺改进规划； ⑷优化设计； ⑸有关改进设计的补充说明。
7.5 发酵罐设计时应该注意的几个问题：
1、培养系统的已灭菌部分与末灭菌部分之 间不能直接连通，与发酵罐相通的任何 连接都应蒸汽密封，防止死角、裂缝等； 2、某些部分应能单独灭菌； 3、尽可能采用全部焊接结构，尽量减少法 兰连接； 4、设备和管道易于清洗和维修； 5、反应器应保持正压。
第七章 发酵罐的放大设计
7.1 发酵罐设计的目标
1、严密的结构，较好的无菌条件，良好的液 体混合性能，较高的传质、传热性能； 2、产品的质量高、成本低，适合工艺要求； 3、好的过程控制，配套而又可靠的检测和控 制仪表，多样化、大型化和高度自动化。
7.2 发酵罐的设计依据
1、生物反应动力学，它是进行生物反应器定量 研究的基础； 2、流体的输送及混合，核心问题是流体之间动 量的传递、机械能的守恒和转化； 3、热量的传递，主要是考虑发酵热的传出及发 酵罐温度的控制； 4、物质的传递，主要有细胞内外物质的交换、 营养物到细胞的传递、氧从气泡到细胞的传递、 二氧化碳从细胞到气泡的传递。 （生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质 和传热。）
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.基本要求（续）
应有基本控制系统（如T、pH、甚至DO2）。
具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂）。
具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。 要求放料、清洗、维修等操作简便，劳动消耗低。 实验罐、中试罐应与生产罐有相似的几何形状，以利于放 大。
（五）发酵罐的放大设计
1. 放大的目的和任务 2. 放大准则 3. 放大方法
S1
空气流量放大——以Ws相等的原则放大
∵
WS 2 (VVM ) 2 P1 D12 VL 2 1 2 WS 1 (VVM )1 P2 D2 VL1
∴
2 VVM 2 P2 D2 VL1 P2 D1 2 VVM 1 P1 D1 VL 2 P1 D2
/jpkc
D2 H 2
2
D2 D 2
2
∴
H 2 D2 3 m H1 D1
空气流量放大——以VVM相等的原则放大
∵
∴
(VVM ) V2 (VVM ) D WS 2 P PD
(WS ) 2 D2 P 1 (WS )1 D1 P2
/jpkc
通常根据实际发酵中主要影响因素来确
定，如：KLa、 P/V、nd等等。
3. 放大方法
经验放大法
几何相似法 非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空气流量、
搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题，即操作参数的放 大设计。常用的放大方法有：
3.发酵罐设计的基本要求
发酵罐能在无杂菌污染条件下，长期运转。搅拌器轴封严 密，减少泄漏；结构紧凑，附件少；无死角，内壁光滑； 管道等尽可能焊接，少用法兰；可维持一定正压；取样口 易于灭菌，各部分能单独灭菌。 传质效果好（传氧性能好，KLa大） 。 有足够的冷却面积（传热性能好，冷却能力强）。 功耗低（传递效率高，节能）。 采用不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。
几何尺寸放大 空气流量放大 VVM相等 Ws相等 KLa相等 搅拌功率及搅拌转速的放大
几何尺寸放大
放大倍数m指罐的体积增加倍数，即
V2 m V1
H1 H 2 ∵几何相似，∴ D1 D2) m 2 2 V1 D1 D1 H 1 D1 D1 4 4
2 3 3
2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
∵ ∴
Qg WS D 2
V D3
HL D
1 WS 2 D ( 2 ) 3 D1 WS 1
又∵
(VVM ) V L (VVM ) D WS 2 P PD
∴
(VVM ) 2 WS 2 P2 D1 P2 D1 WS 2 P2 D1 2 3 ( ) (VVM )1 WS 1 P P P D2 1 D 2 1 D2 W 1
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
Qg 2 / 3 HL VL
Q ( g ) 2 (H L ) 2
2 3
K La
( K La ) 2 VL 1 2 Q ( K La )1 ( g )1 ( H L )1 3 VL
Q ( g Q ( g VL VL )2 )1 ( H L )1 (H L ) 2
本章内容
一、发酵罐的发展 二、发酵罐的类型 三、发酵罐的结构 三、通用式发酵罐的设计与放大 （一）发酵罐设计基本原则和要求 （二）发酵罐放大设计
发酵罐：进行微生物深层培养的反应器统称为发酵罐
大型发酵罐
发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。
顶搅拌 轴封 通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 ) 底搅拌 磁传动 气鼓式（鼓泡式） 内循环 气升式发酵罐 循环式 外循环 管道式反应器：流动代替搅拌 填充床（液体循环） 固定化发酵罐 流化床（同通气搅拌） 自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气 伍式发酵罐 ：多用于纸浆废液发酵生产酵母 重组菌生物反应器
1. 放大的目的和任务
目的：实现生物技术成果走向产业化
生物技术产品产业研发的三个阶段： 实验室规模：菌种选育及发酵条件优化 中试规模：确定放大规律及最佳操作条件 工厂规模：通过产业化实验评价经济效益 任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”
2. 放大准则