生化工程,第七章反应器放大与设计
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第七章--生物反应器的放大与控制
第七章生物反应器的放大与控制生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益。
因此，一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试，适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。
随着生物产品的生产规模增大，生物加工过程中的关键设备——生物反应器也逐渐增大。
生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。
从小型的实验室生物反应器到生产规模的生物反应器，离不开工艺条件和参数优化。
这时，就要对生物反应器的多项参数进行检测，利用自动化技术实现生物反应过程的最优控制。
本章就生物反应器的放大与计算、生物反应过程的参数检测与控制作一阐述。
第一节生物反应器的放大生物反应过程的工艺和设备改进的研究，首先在小型设备中进行，然后再逐渐放大到较大的设备中进行。
然而在实践中往往是小罐中获得的规律和数据，常常不能在大罐中再现。
这就涉及反应器放大的问题。
生物反应器的放大是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物反应过程放大的含义。
它是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。
反应器的放大涉及内容较多。
除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容，诸如：反应动力学，传递和流体流动的机理等。
因此，它是一个十分复杂的过程。
目前反应器的放大方法主要有：经验放大法、因次分析法、时间常数法和数学模拟法。
一、经验放大法经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法。
这些规律多半是定性的，仅有一些简单的、粗糙的定量概念。
由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解，因而放大比例一般较小，并且此法不够精确。
但是对于目前还难进行理论解析的领域，还要依靠经验放大法。
对于生物反应器来说，到目前为止，应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计。
下面介绍一下具体的经验放大原则：（一）几何相似放大生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大。
生化工程-第七章反应器放大与设计
• 生物反应器的设计与放大
10
反应器的类型
• 搅拌槽式反应器 • 管式反应器 • 气体搅拌塔式反应器（气升式反应器） • 动、植物细胞培养反应器
贴壁培养
光合作用
11
生物反应器的优化与控制
12
7.1 非理想流动反应器
在小规模的实验室条件下
全混流模型
理想模型
活塞流模型
在大规模的生产过程中
涉及到许多非理想的条件.
E(t) dF(t) 1 dt tet / t
流体 示踪剂
Vi Si VoSo rsVR
检测器
28
因为，D = 1/ t
因此，
F(t) 1 e-Dt E(t) D e-Dt
以无因次时间θ表示，则
F ( ) 1-e
E( ) e-
D为稀释率
对于理想的全混流反应器CSTR
when t = t, F(t) = 0.632
E(t) 1/ t
在CSTR中，停留时间小于平均停留时间 (t < t)
的物料粒子所占的分率为63.2%，
而其余36.8%的粒子的停留时间要大于
t
平均停留时间。
F(t)
t = 1/ D, θ = 1
σ
2 θ
=
1,
σt2
=
2
t
0.632
t
29 t
§7.6生化反应器的放大
根据概率统计的基本原理
0 E(t)dt 1
检测器
22
F(t)和E(t)的关系
C(t)
C0
tE(t)dt
0
0
E(t)dt
0
10
反应器的类型
• 搅拌槽式反应器 • 管式反应器 • 气体搅拌塔式反应器（气升式反应器） • 动、植物细胞培养反应器
贴壁培养
光合作用
11
生物反应器的优化与控制
12
7.1 非理想流动反应器
在小规模的实验室条件下
全混流模型
理想模型
活塞流模型
在大规模的生产过程中
涉及到许多非理想的条件.
E(t) dF(t) 1 dt tet / t
流体 示踪剂
Vi Si VoSo rsVR
检测器
28
因为，D = 1/ t
因此，
F(t) 1 e-Dt E(t) D e-Dt
以无因次时间θ表示，则
F ( ) 1-e
E( ) e-
D为稀释率
对于理想的全混流反应器CSTR
when t = t, F(t) = 0.632
E(t) 1/ t
在CSTR中，停留时间小于平均停留时间 (t < t)
的物料粒子所占的分率为63.2%，
而其余36.8%的粒子的停留时间要大于
t
平均停留时间。
F(t)
t = 1/ D, θ = 1
σ
2 θ
=
1,
σt2
=
2
t
0.632
t
29 t
§7.6生化反应器的放大
根据概率统计的基本原理
0 E(t)dt 1
检测器
22
F(t)和E(t)的关系
C(t)
C0
tE(t)dt
0
0
E(t)dt
0
《反应器放大设计》PPT课件
.
18
搅拌反应器放大设计
反应器放大设计的突破
？
.
19
搅拌反应器放大设计
搅拌反应器放大的根本目标
➢反应器放大就是在小试或中试工艺研究 基础上，运用化学工程原理进行工业规 模反应器设计的技术。其要求是在工业 反应器中重现小试或中试的过程结果。
➢过程结果是指⑴反应速率、⑵收率、⑶ 产品质量（分子量、颗粒形态等）。
.
25
搅拌反应器放大设计
非几何相似放大法
➢ 不是在放大过程中简单地要求某个混合参数 （如PV、Nd等）恒等便能解决放大问题。
有时要求一个混合参数的某个幂值恒等 可能同时还要求另一个混合参数需大于某个临界值 有时还可能要有第三和第四个需同时满足的条件 更复杂的情况是随反应的进行物料的物性发生变化，
橡 捏和机 塑 三辊辗磨机 机 双螺杆挤出机 械 密炼机
粘度(Pa·s) 10-3 10-2 10-1 1
高粘度
.
10 102 103 104
搅拌器的 粘度选型
常见物质的粘度
水：约1mPa·s 低粘乳液：约数 mPa·s 重油：约数十 mPa·s 润滑油：约 0.1Pa·s 蜂蜜：约 1 Pa·s 涂料：约数 Pa·s 油墨：约数十 Pa·s 牙膏：约 50 Pa·s 口香糖：约 100 Pa·s 嵌缝胶：约 千 Pa·s 塑料熔体：近万Pa·s 橡胶混合物：近万Pa·s
0.0914 0.112 0.152 0.183 0.213 0.244 0.274 0.305
说明
《Chemical Engineering》杂志在1976年发表
1级和2级搅拌适用于要求最低整体流速的工艺过程，2级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于0.1的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1／100时，可把互溶液体 混合均匀； ③可使不同批量的液体物料在较长的时间内达到混合； ④可使混合物料表面产生平稳的流动。 3至6级搅拌适用于化工中大多数混合操作，6级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于0.6的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1／10000时，可把互溶液 体混合均匀； ③可使小于2％的、沉降速度为0.0102~0.0203 m／s的微量固体悬浮； ④可使粘度较低的液体表面产生小的波动。 7至10级搅拌适用于要求高整体流速的工艺过程，如要求强烈搅拌的反 应器，10级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于1.0的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1／100000时，可把互溶 液体混合均匀； ③可使小于2％的、沉降速度为0.0203~0.0305 m／s的微量固体悬浮； ④可使粘度较低的液体表面产生激烈的湍动。
18
搅拌反应器放大设计
反应器放大设计的突破
？
.
19
搅拌反应器放大设计
搅拌反应器放大的根本目标
➢反应器放大就是在小试或中试工艺研究 基础上，运用化学工程原理进行工业规 模反应器设计的技术。其要求是在工业 反应器中重现小试或中试的过程结果。
➢过程结果是指⑴反应速率、⑵收率、⑶ 产品质量（分子量、颗粒形态等）。
.
25
搅拌反应器放大设计
非几何相似放大法
➢ 不是在放大过程中简单地要求某个混合参数 （如PV、Nd等）恒等便能解决放大问题。
有时要求一个混合参数的某个幂值恒等 可能同时还要求另一个混合参数需大于某个临界值 有时还可能要有第三和第四个需同时满足的条件 更复杂的情况是随反应的进行物料的物性发生变化，
橡 捏和机 塑 三辊辗磨机 机 双螺杆挤出机 械 密炼机
粘度(Pa·s) 10-3 10-2 10-1 1
高粘度
.
10 102 103 104
搅拌器的 粘度选型
常见物质的粘度
水：约1mPa·s 低粘乳液：约数 mPa·s 重油：约数十 mPa·s 润滑油：约 0.1Pa·s 蜂蜜：约 1 Pa·s 涂料：约数 Pa·s 油墨：约数十 Pa·s 牙膏：约 50 Pa·s 口香糖：约 100 Pa·s 嵌缝胶：约 千 Pa·s 塑料熔体：近万Pa·s 橡胶混合物：近万Pa·s
0.0914 0.112 0.152 0.183 0.213 0.244 0.274 0.305
说明
《Chemical Engineering》杂志在1976年发表
1级和2级搅拌适用于要求最低整体流速的工艺过程，2级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于0.1的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1／100时，可把互溶液体 混合均匀； ③可使不同批量的液体物料在较长的时间内达到混合； ④可使混合物料表面产生平稳的流动。 3至6级搅拌适用于化工中大多数混合操作，6级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于0.6的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1／10000时，可把互溶液 体混合均匀； ③可使小于2％的、沉降速度为0.0102~0.0203 m／s的微量固体悬浮； ④可使粘度较低的液体表面产生小的波动。 7至10级搅拌适用于要求高整体流速的工艺过程，如要求强烈搅拌的反 应器，10级搅拌的能力为： ①可将液体相对密度差小于1.0的互溶液体混合均匀； ②如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1／100000时，可把互溶 液体混合均匀； ③可使小于2％的、沉降速度为0.0203~0.0305 m／s的微量固体悬浮； ④可使粘度较低的液体表面产生激烈的湍动。
第七章 生物反应器及其工程放大7
7.6.2 通风发酵罐的放大 7-7生物反应器的比拟放大
例题：有一5m3 生物反应器，罐径为 1.4m，装液量4m3 ，液深2.7m，采用六弯叶涡 轮搅拌器，叶径为0.45m，搅拌转速 N=190r/min ，通风比 1:0.2 ，发酵液密度为 1040kg/m3 ，发酵液粘度为1.06×10-3Pa· s，现 需放大至 50m3 罐进行生产，试求大罐尺寸和 主要工艺条件。
PG 有Moo-Young提出的计算的kLa方程式 k a 0.025 L V L 可知，大小罐的气体空塔速度也相等。
0.4
w s 0.5
思考题
通用式发酵罐放大时，放大比例一般为10，若放大前后以 下参数中的一个保持一定不变，其余参数将如何变化？ (1)Pg/VL（单位体积功耗）；(2)N（搅拌转速）；(3)NDi（搅 拌浆顶端线速度）；（4）Di2Nρ/μ（搅拌雷诺准数）。
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
生物反应器放大的目的及方法 生物反应器放大的目的 一种生物制品的生产在实验室的小的生物反应器中取得 了好的成绩，如何将这种效果在大型反应器中实现，这就是 生物反应器放大要解决的问题。
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
计算流体力学法 任何流体的流动都服从动量、质量和能量守恒原理，这些 原理可由数学模型来表达。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics-CFD)的方法就是用电子计算机和离散化的数值方法 对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个流体力学新分支。 该方法具有与反应器规模及几何尺寸无关的潜在优点，并克服 了经验关联及流体结构模型所固有的缺点。但由于SBR中的流 动常具有三维性、随机性、非线性及边界条件的不确定性，使 得同时考虑气液固多相流动及其对生化反应的相互作用及实际 发酵物系的实验验证等存在很多困难。
第7章 生化反应器的流动模型与放大
Chapter 7. Models and Scale-Up of Bioreactor>>7-1
Residence time distribution(RTD)
1) RTD density function E(t) 2、describe of RTD Definition of RTD density function:
Chapter 7. Models and Scale-Up of Bioreactor>>7-1
Residence time distribution(RTD)
1 introduction
Ques.3
What is resident time distribution？
all reactants enter and out the reactor at the same time, resident time is uniform . No RTD
7-6 Scale-up of bioreactor
Chapter 7. Models and Scale-Up of Bioreactor
7-0 Introduction Ques.1 What is the distinguish of CSTR and CPFR?
◆CPFR is a slender reactor; CSTR is a tank reactor ◆reaction fluid flow stably, constant-speed, non disturbance, in the CPFR; the fluid entered the CSTR is mixed quickly with the existing fluid in the CSTR; ◆ residence time of reaction liquid at any parts in the CPFR is uniform; but that in the CSTR is changed rapidly. ◆There is no backmixing along the flow direction in the CPFR; the fluid in the CSTR is mixed thoroughly. ◆Physical and chemical property of reaction liquid at the same crosssection does not change with time, but vary along with the flow direction in the CPFR; Physical and chemical property of reaction liquid at the CSTR are uniform.
第七章 生物反应器的放大讲解
( 3.4 )5 3.58
1080
62.7KW
而实际装液量为75%，HL=8.54m,D/d=3.58,
H L 8.54 8.99 d 0.95
P10
1 3
(D)*(HL
d
d
) * P0
1 3
3.58 8.99 62.7 119KW
选用三层搅拌器，m=3,
P30 P10(0.4 0.6m) 119 (0.4 0.63) 262KW
a exp(bQg ),
a, b为与气体流速和搅拌器直径有关的系数
例题
• 采用100m3机械搅拌通风式发酵罐进行谷氨酸发酵，已知
发酵液密度＝1080Kg / m3，粘度为＝210－3 Pa s,
D 3.4m, D / d 3.58, H 10m, H L 8.54m,装液量为75%，采用 六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，三组，转数n 150r / min ， 通风比为Q＝0.2v v m, 求Pg
3、无通气时非牛顿型流体的搅拌轴功率
• 非顿型流体的，特别是高黏度流体要达到充分的湍流状态几乎是不可能的，
而功率准数总是和Re相关。
Re
Nd 2L a
• 对于细胞反应，大部分流体为拟塑性流体，又称为幂律流体，其表现粘度可 表示为：
a
K
n1, Re
Nd 2L K n1
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验， 找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
3）按几何相似原则确定大罐尺寸：
取H/D=2.4,HL/D=1.5,D/d=3，有效容积60%，忽略封底 容积，则液体体积为
第七章 生化反应器
6.1
生物反应器设计的内容
概
述
选择合适反应器型式结构及操作方式(反应与物料性质，生产工艺）
确定最佳操作条件及控制方式(pH、温度等)
计算所需反应器体积，设计各种结构参数
6.1
基本设计方程
概
述
• 针对特定空间特定变量的物料、能量衡算方程
• 控制体积选择原则：该体积内状态可视为一定值，不 随空间变化。(微元，总体积？） • 输入＝输出＋消耗＋累积
产物浓度高， 杂质少 高生产能力
3. 运行成 本
6.1
概
述
6.1
•结构特征分类
概
述
管式反应器
STR
固定床
6.1
概
述
喷射环流式JLR
鼓泡塔BC
气升式ALR
6.1
概
述
Aerobic-Anaerobic Bioreactor
Conventional landfill after 30 years
Bioreactor landfill after 10 years
反应器体积：V=25*2/0.09=556 m3
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
•优化目标： –产物浓度最大（后处理成本较高的产品） –生产率（单位时间产量）最高（降低运行费用） –得率最大（原料较贵〕
•优化变量：反应时间，培养基组成、pH、温度
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
6.2 间歇操作搅拌反应器BSTR
间歇反应过程优化
Km rm (t r tb ) (Cs 0 Cs )(1 ) Cs
Cs 0 又 rm t r Cs 0 Cs K m ln C s Km Cs 0 rm t b (Cs 0 Cs ) K m ln Cs Cs
第7章 生化反应器的流动模型与放大
解： ∑ tE (t ) = 4
∑ E (t ) = 9.1 ∑ t
2
E (t ) = 179
61
生物反应工程习题精解
第七章 生化反应器的流动模型与放大
t = 40 s ∇t 2 = 190s 2 ∇φ 2 =
∇t 2 t2
=
190 = 0.1187 40 2
N=
1 = 8.42 2 ∇φ
X S = 0.82 t = 40 s = CS 0 − CS C − CS CS 0 ' X r 0.82 ⇒ 40 = S 0 = = ⇒ max = 0.114 s −1 rmax rmax rmax rS Km CS (1 − X ) (1 − 0.82) Km Km Km
7.4 脉冲法测得某闭式反应器内的停留时间分布数据如下。 t/s 1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 30 41 52 67 70 C(t) 9 57 81 90 90 86 77 67 47 32 15 7 3 1 0 /(g/L) 若在一 CSTR 中进行某一级反应 S → P，可得 XS=0.99,现若在上述非理想反应器 中进行该反应，试求： （1） 用槽列模型，XS=？ （2） 用一维扩散模型，XS=？
σ θ2 。
C (t )
E (t ) =
∑ C (t )∆t
0
∞
，
F (t ) =
∑ C (t )∆t ∑ C (t )∆t
0 2 2 0 ∞
t
，
ΣtC (t )∆t t = ， σ t2 = ΣC (t )∆t
∑ t C (t )∆t
2
∞
∑ C (t )∆t
0Leabharlann 0 ∞− t ，σθ =
∑ E (t ) = 9.1 ∑ t
2
E (t ) = 179
61
生物反应工程习题精解
第七章 生化反应器的流动模型与放大
t = 40 s ∇t 2 = 190s 2 ∇φ 2 =
∇t 2 t2
=
190 = 0.1187 40 2
N=
1 = 8.42 2 ∇φ
X S = 0.82 t = 40 s = CS 0 − CS C − CS CS 0 ' X r 0.82 ⇒ 40 = S 0 = = ⇒ max = 0.114 s −1 rmax rmax rmax rS Km CS (1 − X ) (1 − 0.82) Km Km Km
7.4 脉冲法测得某闭式反应器内的停留时间分布数据如下。 t/s 1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 30 41 52 67 70 C(t) 9 57 81 90 90 86 77 67 47 32 15 7 3 1 0 /(g/L) 若在一 CSTR 中进行某一级反应 S → P，可得 XS=0.99,现若在上述非理想反应器 中进行该反应，试求： （1） 用槽列模型，XS=？ （2） 用一维扩散模型，XS=？
σ θ2 。
C (t )
E (t ) =
∑ C (t )∆t
0
∞
，
F (t ) =
∑ C (t )∆t ∑ C (t )∆t
0 2 2 0 ∞
t
，
ΣtC (t )∆t t = ， σ t2 = ΣC (t )∆t
∑ t C (t )∆t
2
∞
∑ C (t )∆t
0Leabharlann 0 ∞− t ，σθ =
生物反应器的放大与控制
生物反应器的放大与控制1.3生物反应器的放大1.3.1引言生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益，因此一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产之至成为商品的一系列过程。
这一系列过程可分为三个阶段：1.实验室阶段——基本生物细胞的筛选和培养基的研究，摇瓶培养或1——3L反应器进行2.中试阶段——小型反应器5——500L规模，环境因数最佳操作条件研究。
3.工厂化规模——实验生产至商业化生产，提供产品并获经济效益。
以上同一发酵生产，规模不同，生物反应相同，但反应溶液的混合状态、传质与供热速率等不尽相同，细胞生长与代谢产物生成的速率也有差别。
1.3.2生物反应器的放大：1）定义：生物反应器的放大就是在生物反应器放大过程中，也就是以中试反应设备的实验数据为依据，设计制造大规模反应系统以进行工业规模生产。
2）放大的核心问题和目的（1）核心问题：生物反应器中有三种重要的过程：热量传递过程，微观动力学过程（主要指生物反应的速率问题，特别是细胞生长速率，各种基质组分消耗的速率、代谢产物的生成速率等），质量传递过程。
其中核心问题是传质过程，其中限制性的传质速率就是气态氧向液相中传递（溶解）的速率。
（氧的传递通常是气相的氧先溶在发酵液中再传递给菌体。
为什么氧的溶解速率为限制性速率？？请看书中19页的表1-4）（2）放大的目的或指标维持中试所得到的最佳的细胞生长速率，产物的生成速率。
3）生物反应器的放大原则生物反应器的类型很多，所使用的体系也各异。
因此生物反应器的放大是比较复杂的。
书中介绍的是机械搅拌发酵罐的一些经验放大方法。
需要注意的是运用不同的放大原则，放大后罐的操作条件是不一样的。
看书中27页得表1-7.这说明在放大中选用什么准则是要积累较多的经验的。
1.4生物反应器的检测和控制1.4.1引言根据目前人们对生物反应过程的理解，生物反应器的检测和控制对象主要包括三个部分的参数，即，（1）生物反应进程的物理条件，如温度、压力、搅拌速度等；（2）生物反应器进程中的化学条件，如液相pH，氧气和二氧化碳的浓度等；（3）生物反应器进程中的生化参数，如生物体量，生物体营养和代谢产物浓度等。
第七章 生物反应器的放大概要
2 Nd L a K n1 , Re K n1
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验，
找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
d ) 平 KN d d ( ) 平 — 液体的平均剪应速率( s 1 ) d ( N — 搅拌转数(r / s ) K — 比例系数，一般K 11.5，其平均误差小于16%。
第七章 生物反应器的放大
• 确定大型生物反应器的几何尺寸，一般根据几何
相似的原理，按照小罐的尺寸确定。 • 确定小罐的搅拌轴功率 • 确定大罐的操作变量（主要指n和Q） • 确定大罐的搅拌轴功率，选择电机
7.1 搅拌轴功率的计算
• 定义：指搅拌浆以既定转速旋转时，用以克服介质阻力所需的功率。 • 与介质性质、反应器的几何尺寸、操作变量等有关，一般表示成功率的 函数。P=f（n,d,ρ,µ,g）
•
对于一般发酵罐，可用下式进行校正
P 10 * 1 P 10 3 ( D H )*( L )* d d
2、多支涡轮不通风时轴功率
• 多支涡轮，其功率的输出与组数、间距有关，对于牛顿型流体，两组
涡轮间距s，取2d,非牛顿型取2.5~3d，静液面至上涡轮距离为
0.5~2.0d，下涡轮至罐底距离B=0.5~1.0d。 • 符合上述条件的发酵罐，其经验式约为单只涡轮功率乘以涡轮只数或 者
此式表明一定的搅拌转数N可产生一定的的平均剪切速率。在全挡
板条件下，离开搅拌涡轮尖端所导致的流体平均剪切速率的降低被挡
板对它的提高大致得到补偿。
进一步的实验证明，搅拌造成的平均剪切速率主要取决于涡轮转数，与 其他参数基本无关。对常用的几种搅拌涡轮，K=11.0。 根据Metzner大量实测数据证明，牛顿型流体与非牛顿型流体的Np-Re曲 线的差别仅存在于Re=10-300区间内。当Re>300时，拟塑性流体和牛顿型流 体的Np~Re曲线基本重合，且大体成一直线。
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验，
找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
d ) 平 KN d d ( ) 平 — 液体的平均剪应速率( s 1 ) d ( N — 搅拌转数(r / s ) K — 比例系数，一般K 11.5，其平均误差小于16%。
第七章 生物反应器的放大
• 确定大型生物反应器的几何尺寸，一般根据几何
相似的原理，按照小罐的尺寸确定。 • 确定小罐的搅拌轴功率 • 确定大罐的操作变量（主要指n和Q） • 确定大罐的搅拌轴功率，选择电机
7.1 搅拌轴功率的计算
• 定义：指搅拌浆以既定转速旋转时，用以克服介质阻力所需的功率。 • 与介质性质、反应器的几何尺寸、操作变量等有关，一般表示成功率的 函数。P=f（n,d,ρ,µ,g）
•
对于一般发酵罐，可用下式进行校正
P 10 * 1 P 10 3 ( D H )*( L )* d d
2、多支涡轮不通风时轴功率
• 多支涡轮，其功率的输出与组数、间距有关，对于牛顿型流体，两组
涡轮间距s，取2d,非牛顿型取2.5~3d，静液面至上涡轮距离为
0.5~2.0d，下涡轮至罐底距离B=0.5~1.0d。 • 符合上述条件的发酵罐，其经验式约为单只涡轮功率乘以涡轮只数或 者
此式表明一定的搅拌转数N可产生一定的的平均剪切速率。在全挡
板条件下，离开搅拌涡轮尖端所导致的流体平均剪切速率的降低被挡
板对它的提高大致得到补偿。
进一步的实验证明，搅拌造成的平均剪切速率主要取决于涡轮转数，与 其他参数基本无关。对常用的几种搅拌涡轮，K=11.0。 根据Metzner大量实测数据证明，牛顿型流体与非牛顿型流体的Np-Re曲 线的差别仅存在于Re=10-300区间内。当Re>300时，拟塑性流体和牛顿型流 体的Np~Re曲线基本重合，且大体成一直线。
第七章化学反应工程学----反应器基本原理
四、化学反应过程和化学反应器的分类 （一）、化学反应过程分类
分类特征 反应过程
反应特征 简单反应、复杂反应（平行的、连串的等）
热力学特征 可逆的，不可逆的
相态
均相（气、液），非均相（气-液，气固、液固、气-液-固）
时间特征 定态，非定态
控制步骤
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附 控制
2、理想混合 特点： ①、反应器内的浓度和温度均均一致，并且等于出口处的 物料浓度和温度。 ②、物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。 “逆向混合”
也叫“返混”,在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。
引起逆向混合的主要原因有：
1）、由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒流。
2）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式 反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同 半径处的物料粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就 是不同停留时间的物料间的混合，也就是逆向混合。
E(t)dt
曲线以下在t→t+dt间的面积即E（t）dt
才是分率dN/N的大小，所以把E（t）称
t t+dt
t
作“分布密度函数”。
归一化的性质：
dN E(t)dt 1
0N
0
2、停留时间分布函数 F（t）
假若在时间0→t之间进入反应器的物料粒子中，具有停 留时间从0→t间的物料粒子的量占进料总量的分数，称为 停留时间分布函数，用F（t）表示:
输入动量 = 输出动量 + 动量损失 （5）、参数计算式 主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。
三、化学反应工程学与相关学科的关系
传递工程
反应器中流体 流动与传热 化学反应工程 反应器的设计
第7章生物反应器及其工程放大
如需
工业重要特性 主要应用领域
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小
需光源
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
7-1 生物反应器设计基础
1 生物反应器的特点与生物学基础
内容提纲
4
2 生物反应器的分类和结构特点 3 生物反应器中的混合
ห้องสมุดไป่ตู้生物反应器传热
7-1 生物反应器设计基础
生物反应器定义:
生物反应器（Bioreactor）是指任何提供生物活性环境的 制造或工程设备，是有效利用生物反应机能的系统或场所。
生物工业中使用的生物反应器有多种型式，即使在同一行 业中也可能采用不同型式的生物反应器。
基因、细胞代谢和反应器工程水平上多尺度的系统反应，虽 然，不同尺寸的反应器可能只是大小的不同，但是引起的细 胞内的生物反应的种类和速度可能大不相同，因此，达到上 述目的存在一定的挑战。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
4）生物反应器选型与设计的要点 （1）选择适宜的生物催化剂。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
表1 生物反应器的操作特性
反应器类型 pH 温度
控制 控制
批式(通用罐) 如需 如需 连续搅拌罐式 如需 如需 气升式反应器 如需 如需
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器
动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
工业重要特性 主要应用领域
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小
需光源
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
7-1 生物反应器设计基础
1 生物反应器的特点与生物学基础
内容提纲
4
2 生物反应器的分类和结构特点 3 生物反应器中的混合
ห้องสมุดไป่ตู้生物反应器传热
7-1 生物反应器设计基础
生物反应器定义:
生物反应器（Bioreactor）是指任何提供生物活性环境的 制造或工程设备，是有效利用生物反应机能的系统或场所。
生物工业中使用的生物反应器有多种型式，即使在同一行 业中也可能采用不同型式的生物反应器。
基因、细胞代谢和反应器工程水平上多尺度的系统反应，虽 然，不同尺寸的反应器可能只是大小的不同，但是引起的细 胞内的生物反应的种类和速度可能大不相同，因此，达到上 述目的存在一定的挑战。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
4）生物反应器选型与设计的要点 （1）选择适宜的生物催化剂。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
表1 生物反应器的操作特性
反应器类型 pH 温度
控制 控制
批式(通用罐) 如需 如需 连续搅拌罐式 如需 如需 气升式反应器 如需 如需
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器
动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
生物化工工艺学--第7章--生物反应器
十一 冷却装置 • 5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管 冷却（四至八组）。带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计 算。 • 夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同时对罐身起 加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢 制造。
十二 发酵罐装料容积 • 发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱 部分高度，但须根据具体情况而定。采用有效的机械 消泡装置，可以提高罐的装料量。
第二节 鼓泡反应器
鼓泡反应器是以气体为分散相、液体为连续相、涉及气液界面的反应器。 高径比较大的反应器常称为塔式反应器。 特 点：结构简单，易于操作，操作成本低，混合和传质传热性能好，因此广 泛应用于生物工程行业中，例如乙醇发酵、单细胞蛋白发酵、废水处理、 废气处理（例如用微生物处理气相中的苯）等。鼓泡反应器无传动部件，
• 通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管吹入的空 气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上 加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。 • 通风量在0.02~0.5ml/sec时，气泡的直径与空气喷口直径的 1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越 小。因而氧的传质系数也越大。但是生产实际的通风量均超 过上述范围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径 无关。
原生流速与搅拌转速成正比，次生流速近似地与搅拌转速的平方成正比。因此， 当转速提高时，主要靠次生流加速流体的轴向混合，使传热传质速率提高。因 此，新型桨型的开发主要侧重于使轴向流速得到加强。
二、发酵罐的结构
• 罐体 ：由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不 锈钢，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）。
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停留时间分布函数的统计特征值
(1)数学期望 t 也就是均值。对停留时间分布来说，也就是平均停留时间， 即：
t
令无因次时间
0 0
tE (t )dt E (t )dt
tE (t )dt
0
E(t)
θ =t/t
_ t
t
那么
θE(θ)d
0
数学期望为随机变量的分布中心，在几何图形上，它是E(t)曲线所包
F(t)和E(t)的关系
C(t) C0 E( t)dt 0 E(t) dt
0 t 0 t
C(t) C0 E( t)dt
0
结合F(t)的定义,
C(t) F(t) C0
F(t) E(t)dt
0
t
or
E(t) dF(t) dt
也就是说, E(t) 可以通过对实验测得的F(t)曲线进行微分计算得到.
因为，D = 1 / t 因此，
F ( t ) 1 e - Dt E ( t ) D e - Dt
D为稀释率
以无因次时间θ表示，则
F ( ) 1-e E ( ) e -
对于理想的全混流反应器CSTR
when t = t, F(t) = 0.632
E(t)
1/ t
密度函数对于分析实际反应器中的流型相对于理想反应器的
偏离程度是很有用的判据.
但是RTD也不能表征所有的流体混合模型.
7.4 理想流动反应器的RTD
活塞流模型
流体 示踪剂 一个脉冲
检测器
when t t , E(t) 0, t t , E(t)
when t t , F(t) 0, t t , F(t) 1
2 0
t E ( t )dt 2t tE ( t )dt t
0 0
2
0
E ( t )dt
2 σθ =1
若以无因次方差表示，则
t
0
( ) E ( )d 2 E ( )d 1
2 2 0
/ t
2 2 t
2
Hale Waihona Puke 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。
以体积溶氧系数相等为基准
(1)计算试验罐的kLa
先求搅拌雷诺准数ReM
nd 2 L (350/ 60)(0.125)2 1020 4 ReM 4 . 13 10 2.25 103
由功率系数
NP
P n 3d 5
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ReM>104,为圆盘六直叶涡轮，因此NP取为6.0 所以2档叶轮的不通气时的搅拌功率为 ： 350 3 P 2NP n 3 Ld 5 2 6.0 ( ) 1020 0.125 5 74.1W 0.074 kW 60 相应地，通气搅拌功率为 ： (下式中Qg的单位是ml/min) 2 3 2 3 3 P nd 0.39 3 0.0741 350 12.5 0.39 P ) 2.25 10 ( ) 0.0395kW g 2.25 10 ( 0.08 0.08 Qg 60000
YEAST AREA
FERMENTATIO N
Korea
生化反应器的放大
工程放大
小试
摇瓶试验
工业化生产
中试
生物反应特点
• 综合性学科 • 采用生物催化剂 • 原料为可再生资源 • 反应条件温和 • 产物浓度较低
生物化工 (生物反应工程)
生物学
工程学
化学
生物反应动力学
• 研究生物反应过程的速率及其影响因素
检测器 Ce
示踪剂 连续加入
0 Cf C(t) C0
t0 t0
Stimulus
由阶跃法响应曲线求得的叫停留时间分布 的分布函数,又称函数F(t)
C(t) Ce F(t) C0 Cf
Response
RTD测定示意图(2,脉冲法)
流体
在很多情况下是需要测定停留时间 分布(RTD)的密度函数E(t),
测定反应器出口处流体的停留时间分布 (RTD) 能为了解反应 器中流体的混合与流动模型提供非常有用的信息。
分析反应器的工况，提供改进操作性能的有用信息
通过RTD建立合适的流动模型，作为进行反应器设计的依据
RTD测定示意图(1,阶跃法)
流体
Cf
将系统中作稳态流动的流体切换为 流量相同的含有示踪剂的流体. 示踪剂的浓度C0
29~104 s
6 min 1 min
混合时间的测定
检测到四次 循环
输出信号 测定装置 (tC: 循环时间; tM: 混合时间)
很多档板，小搅拌浆
从图中可以提出, 示踪剂浓度的周期性变化较为明显, 这意 味着反应器中的流体在达到组成均一之前，往往会发生数 次循环流动。
§7.3 停留时间分布
(Residence Time Distribution, RTD)
围面积的重心在横轴上的投影
(2)方差 σ 2
方差表示的是对平均值的离散程度，方差越大，分布越宽。又称散度
2 t
0
( t t )2 E ( t )dt
2
0
E ( t )dt
2 2
E(t)
2 1 > σθ >0
2 σθ =0
( t 2t t t ) E ( t )dt
Kikkoman's second U.S. plant in California
珠江桥酱油研发中心
TANK FARM SUPPLIED WITH 171 TANK TOPS.
= 45 STORAGE - FERMENTATION AREA = 63 BBT = 11 - STORAGE AREA = 12 FILTRATION - FILTRATION AREA - BRIGHT BEER AREA = 40 - YEAST AREA
• 包括两个层次
– 本征动力学（微观动力学） – 反应器动力学（宏观动力学）
传递因素
传递对反应速率的影响
反应体系： A + B
E
C
A
B
E
A, B, E
生物反应器
• 生物反应器的传递特性(传质、传热、动量 传递) • 生物反应器的设计与放大
反应器的类型
• 搅拌槽式反应器 • 管式反应器 • 气体搅拌塔式反应器（气升式反应器） • 动、植物细胞培养反应器
单位体积的表面积减少 发酵罐的高径比一般为2:1~3:1, 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。
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。
几处位置的示踪剂浓度的
变化过程而得到。
Start
After a while
不同类型的 反应器, 搅拌器 会产生不同的流型和不同的混 合时间特征。 在不同工况条件下的一些混合时间数据
体积小的反应器中 2~3 s
2.5~160 m3 发酵罐 1% 黄原胶溶液
300 rpm, no air flow 500 rpm, 0.25% air flow
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
7.6.1机械搅拌罐经验放大法
• 例: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μ =2.25×10-3Pa· S，密度ρL=1020 kg/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/D＝2.4，，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。
定量的示踪剂，为达到一定混合程度(均一性) m时所需的 时间。
混合程度(m): 对液相体系
S S0 m S S0
S:时间为tm时的示踪剂浓度 S0:初始示踪剂浓度 S∞:时间趋于∞时的示踪剂浓度
示踪剂 可以是一种 盐溶液, 酸, 碱, 水溶性的染料.
混合时间可以通过连续地 监测反应器中某一处或某
将一定量的示踪剂以脉冲的方式加 入到稳态流动的流体中,然后反应器 出口处测定示踪剂的浓度. 密度函数E(t), E(t)dt = 在反应器中停留时间介于t 到 t+dt 之间的流体粒子所占 的百分率, 其中E(t)称为停 留时间分布密度函数. 根据概率统计的基本原理
示踪剂 一个脉冲
检测器
0
E(t)dt 1
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。