发酵工程发酵罐放大与设计解读
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第九章 第二讲分析
2(hb
1 6
D)]
④ 发酵罐总高度 H H0 2(ha hb )
⑤ 液柱高度
H L H 0 ha hb
⑥ 装料容积
V
VH V0
4
D 2 (H 0 hb
1 6
D)
⑦ 发酵罐的容积装料系数（％）
V V总
3. 附属结构的计算
（1）挡板数量和尺寸计算
（2）搅拌器的设计计算 根据已计算出的发酵罐的直径计算
放大。 3、以搅拌桨叶尖端线速度为基准的比拟放大。 4、以混合时间相等为基准的比拟放大。
1、以体积溶氧系数为基准的 比拟放大法
菌种的耗氧速率很快，溶氧速率能否与 耗氧速率平衡就成为生产成败的限制性 因素。
实验：
如果该试验是在菌体耗氧速率最高阶段进行的，
那么当耗氧最盛时，溶氧浓度达到溶氧供耗平
每日的产量：m0＝50000/300=166.7 吨 每日所需发酵液的量：VL＝166.7/（0.14×0.9）=1322.8 m3 假定发酵罐的装液系数为85%，则每日所需发酵罐容积：
V总＝1322.8/0.85=1556 m3 取发酵罐的公称容积为250 m3，则每日需要6个发酵罐，发 酵周期为4天，考虑放罐洗罐等辅助时间，整个周期为5天。 则所需发酵罐的总数：n=5×6+1=31个
搅拌器相应的结构尺寸
4. 冷却面积的计算
（1）发酵过程的热量计算
① 通过冷却水带走的热量进行计算
Q 4.186Wc(t2 t1)
最大
V
式中：Q最大——单位体积发酵液单位时间传给冷却器的最 大热量，kJ/m3·h
W——冷却水流量，kg/h t1——冷却水进口温度，℃ t2——冷却水出口温度，℃
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
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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
发酵罐的比拟放大
ωg＝Qg/(π/4·D2)＝0.06/ (3.14/4×0.3752) =0.546 m/min=54.6 cm/min
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
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
第四章发酵罐的比拟放大
F[S]0
F[S]t
也可写为(2) 式
1、零级反应：酶促反应速率与底物浓度无关。 2、一级反应：反应速率与底物浓度的一次方成 正比。即酶催化A→B的过程
二、单底物酶促反应动力学
1、米氏方程 根据“酶-底物中间复合体” 的假设，对酶 E催化底物S生成产物P的反应S→P，其反 应机制可表示为 k+1 k+2 E+S ES E+P k-1
1 H1 m3 H2
V2 D2 m V1 D1
1 D1 m3 D2
3
（二）以单位体积液体中搅拌功率P0 /VL 相等的准则进行反应器放大
这种方法适用对于以溶氧速率控制发酵反应 的生物发酵，粘度较高的非牛顿型流体或高 细胞密度的培养 P0/VL ＝ 常数 1. 对于不通气的搅拌反应器 2. 对于通气搅拌反应器，可取单位体积液体 分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大
对于球形固定化酶颗粒的内扩散效率因子有
rin 颗粒内的实际有效反应速率 in 颗粒内无浓度梯度时的反应速率 r0
酶反应器: 酶为催化剂进行生物反 应的场所。
游离酶反应器、固定化酶反应器 （分：固定化单一酶、复合酶、细胞 器、细胞等形式）
酶反应器及其操作参数
酶反应器的分类
型式名称 操作方式 分批、流加 说明 靠机械搅拌混合
，m3/（m3· min）
操作状态下空气的线速度
ug 60Q0 (273 t ) 9.8 10 4
ug
，
m/h。
，m3/（m3· min）
4
Di 273 pL
27465.6 (VVM )(273 t )VL Di 2 pL
生化工程 第六章 发酵罐的比拟放大
得 kd∝ (N2.73d2.01/ωg0.03)0.56ωg0.7N0.7 kd∝ N2.23d1.13ωg0.68 依据 (kd)2= (kd)1 相等原则放大，则： 相等原则放大， N2/N1 = (d1/d2)0.51[(ωg)1/(ωg)2]0.30 P0 2/P0 1 = (d2/d1)3.47[(ωg)1/(ωg)2]0.9
3、以kLa值相同的原则放大 根据文献报导， kLa∝(Qg/VL)HL2/3，其中Qg为操 ，其中Q 作状态下的通气流量，V 为发酵液体积，H 作状态下的通气流量，VL为发酵液体积，HL为液柱 高度。则 [kLa]2/[kLa]1= (Qg/VL)2(HL)22/3/[(Qg/VL)1(HL)12/3]=1 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (HL)12/3/ (HL)22/3=(D1/D2)2/3 (3) 因为Q 因为Qg∝ωgD2， V∝D3 故 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (ωg/D)2/ (ωg/D)1 (ωg/D)2/ (ωg/D)1 =(D1/D2)2/3 (ωg)2 / (ωg)1 = (D2/D1)1/3 又因ω 又因ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ∝ (VVM)D/P 故 (VVM)2 / (VVM)1 = (D1/D2)2/3 (P2/P1) (4)
注：下标1为实验罐，下标2为生产罐
二、空气流量放大 空气流量表示方法： 空气流量表示方法： （1） 单位体积培养液在单位时间内通入的 空气量（以标准状态计）， ），即 空气量（以标准状态计），即 Q0 / VL = VVM m3/(m3.min) 操作状态下的空气流量 Qg m3/min （2）操作状态下的空气直线速度 ωg， m/h ωg= Qg (60)/(π/4·D2)
Hale Waihona Puke 2.按几何相似原则确定 按几何相似原则确定20m3罐主尺寸 按几何相似原则确定 取H/D=2.4 , D/d=3, HL/ D =1.5 有效容积60%，若忽略封底的容积， ，若忽略封底的容积， 有效容积 π/4×D2×1.5D=20×0.6 × × D=2.16m， d=0.72m ， 采用两只园盘六弯叶涡轮
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。
发酵工程_韩北忠_第八章发酵中试的比拟放大
三 比拟放大和它的基本方法
• 首先必须找出表征着此系统的各种参数， 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， 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， 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。 常用的基本方法之一。
• （一）恒周线速度 丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖端 线速度的影响较为明显。如果仅仅保持kLa相 等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在 P /V Po/V相等的条件下，D/T比越小，造成的剪率 越大，也有利于菌丝团的破碎和气泡的分散， 这对于产物抑制的发酵有重要意义。所以，对 于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为 是比拟放大的基准之一。
其他的比拟放大方法
其他的比拟放大方法
• （二）恒混合时间 混合时间的定义是把少许具有与搅拌 罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两 者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。 混合时间主要与发酵液的粘度有关，通常， 低粘度的液体混合时间要少于高粘度的液体。 另外，放大罐的体积越大，混合时间就越长。
其他的比拟放大方法
以kLa为基准的比拟放大法
• 有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
Hale Waihona Puke • 例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升 罐中进行生产。—淀粉酶试验， 获得良 好成绩。放大至20立方米罐。
按照计算p来计算发酵罐的放大原则三四恒定剪切力恒定叶端速度放大剪切力与搅拌桨叶端速度成正比在恒定体积功率放大时一般维持n不变n为搅拌桨转速d为搅拌桨直径五恒定的混合时间t放大另外还有人主张考虑nre及动量因子来放大等这里就不一一介绍了
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。
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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。
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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
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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
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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4章 发酵罐的比拟放大
2020/7/27
11
（二）机械搅拌发酵罐的比拟放大 1.放大依据准则的选择
对于机械搅拌通风发酵罐，搅拌功率和通风量都是影响 传质的重要因素，而发酵液的混合则主要决定于搅拌功 率，因而搅拌功率对发酵罐影响相对较大。故搅拌功率 放大严于通风量的放大。
✓体积溶氧系数KLa相等 ✓单位体积发酵液消耗功率P0/V相等
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
前3步如前
4）以P/V相等计算功率和转速。
5）验算放大后的kd
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生物反应器的比拟放大，到底以什么为基准呢？ 首先要从大量的试验材料中把握和找出影响生产 过程的主要矛盾，在着重解决主要矛盾的同时， 不要使次要矛盾激化。例如，单纯按照kLa相等 为准则放大的生物反应器，液体剪切力可能会上 升到剪切敏感系统不可接受的程度，投入生产， 就可使生产失败，必须注意不使这类情况出现， 为此往往或多或少地牺牲几何相似的原则。
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①按雷诺准数Re相等放大
n2/n1=(Di1/Di2)2=(D1/D2)2 在某些情况下可作为放大的依据
②按单位体积液体消耗功率P/V相等放大
P∝n3Di5 P/V ∝ n3Di2 若P/V相等，即 (n3Di2)1 = (n3Di2)2
n2/n1=(Di1/Di2)2/3=(D1/D2)2/3 上述功率P是不通气时的搅拌功率，它与通气情
(Q/V)2/(Q/V)1=(HL1/HL2)2/3=(D1/D2)2/3
大罐单位体积需要的通风量要比小罐的小得多。
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3. 搅拌功率放大 搅拌功率是影响溶氧最主要的因素，因而在机械
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：
发酵工程发酵罐放大与设计解读
❖ 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 ∵几何相似，∴ H1 H 2 D1 D2
m V2 V1
则
V2 V1
4
D2 2 H 2
4
D12 H1
4
D2 2 D2
4
D12 D1
( D2 )3 D1
m
∴
H2 D2 3 m
传热工程
产热Q1 V罐体积
传热Q2 A罐表面积
V↑，
A V
1↓
R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关
键。
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。
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，
5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr•℃
竖式蛇管(热交换强、蛇管设于罐内，不易清洁)
5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃ 竖式列管（排管）：
传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，适用于气 温较高，水源充足的地区。
三、通用式发酵罐的设计与放大
几何尺寸放大
放大倍数m指罐的体积增加倍数，即 ∵几何相似，∴ H1 H 2 D1 D2
m V2 V1
则
V2 V1
4
D2 2 H 2
4
D12 H1
4
D2 2 D2
4
D12 D1
( D2 )3 D1
m
∴
H2 D2 3 m
传热工程
产热Q1 V罐体积
传热Q2 A罐表面积
V↑，
A V
1↓
R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关
键。
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。
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，
5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr•℃
竖式蛇管(热交换强、蛇管设于罐内，不易清洁)
5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃ 竖式列管（排管）：
传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，适用于气 温较高，水源充足的地区。
三、通用式发酵罐的设计与放大
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
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传热工程
产热Q1 V罐体积
传热Q2 A罐表面积
V↑，
A V
1↓
R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关
பைடு நூலகம்键。
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。
发酵罐能否适合于生产工艺的放大要求 发酵罐能否获得最大的生产效率
2.发酵罐最大生产能力的确定
考虑两方面因素
微生物生长率、产物转化率
▪发酵罐的操作因素(传递性能)
传质效率（KLa、传氧效率） 传热效率
混合效率
改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的 首要任务。
传质工程
随规模扩大，α ↓，KLa ↓ ，同等条件下传氧效率↓
通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 ) 顶搅拌 轴封 底搅拌 磁传动
气升式发酵罐
气鼓式（鼓泡式） 内循环 无菌压缩空气作为提升力
循环式 外循环
管道式反应器：发酵液通过管道流动代替搅拌 固定化发酵罐 填充床（液体循环）
带有中央 吸气口
流化床（同通气搅拌）
自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌器自吸入空气
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。
轴封
轴封的作用是使罐顶 或罐底与轴之间的缝 隙加以密封，防止泄 漏和污染杂菌。
常用的轴封有填料函 和端面轴封两种。
1）填料函式轴封
填料函式轴封是由填 料箱体，填料底衬套， 填料压盖和压紧螺栓 等零件构成，使旋转 轴达到密封的效果。
2）端面式轴封
端面式轴封又称机械轴 封。密封作用是靠弹性 元件（弹簧、波纹管等） 的压力使垂直于轴线的 动环和静环光滑表面紧 密地相互贴合，并作相 对转动而达到密封。
3.挡板
挡板的作用：改变液流方向，由径向流→轴向流，促使 流体翻动，增加传质和混合。
档板宽 ：W/D= 1/12-1/8 (取0.1)
全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加 档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消 失, 即要满足下式：
（W/D）•Z =0.4
Z—档板数
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
B/D=0.8－1.0 B—下搅拌器距底间距
1.5 ≤s/d≤ 2 s—搅拌器间距
2. 搅拌装置
搅拌的目的
打碎气泡，增加气液接触面积，即a↑ 产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间
造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KL↑ 有利于混合及固体物料保持悬浮状态
搅拌的效果:
原生流→圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流 速V原∝n 挡板作用：次生流→轴向运动、翻动，决定混合好坏， V次∝n2
▪ 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
5. 空气分布器
作用：吹入无菌空气，并使其分布均匀 型式：
单孔管：开口朝下，防止堵塞；管口距罐底约 40mm 环形管：适用于细度极小且易溶于水的固体发 酵原料）
6. 换热装置
夹套式(结构简单、易加工、易清洁，热交换差)
搅拌效果评价：传质、传热及混合效果
搅拌器的形式 ：通用式发酵罐大多采用涡轮式搅 拌器 ，而又以圆盘涡轮搅拌器为主 。 桨叶类型：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、
箭叶式三种。
叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
K La
k( PG V
)α WSβ
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭
的连接应垂直，中心线对正。
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。
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，防止污染。
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 叶轮离心式
适于不易染菌的发酵工艺
伍式发酵罐 ：发酵罐内设套筒，多用于纸浆废液发酵生产酵母
1.外形、结构及几何尺寸要求
H/D=1.7－3
H—筒身高度
HL/D=2－2.5
HL按照装料VL=70%V总计算
d/D=1/3－1/2
d—搅拌器直径
W/D=1/12－1/8（取0.1 ，并留1—2cm间隙，以 防死角）
W—档板宽度
5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr•℃
竖式蛇管(热交换强、蛇管设于罐内，不易清洁)
5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃ 竖式列管（排管）：
传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，适用于气 温较高，水源充足的地区。
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 1.发酵罐设计的基本原则
本章内容
一、发酵罐的概念 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 四、重组菌生物反应器
一、发酵罐的概念
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
二、发酵罐的类型
发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。
翻动流体能力：箭>弯>平
综合传质和混合能力：弯叶最好
搅拌桨的层数：
根据 H/D及（s/d）n 的要求进行计算。一 般3—4层，底层搅拌 最重要，占轴功率的 40% ，所具叶片数最 多（6~8片）。
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