第七章 生物反应器及其工程放大7

通风发酵罐的放大 7-7 生物反应器的比拟放大
【解】（1）小罐工艺参数搅拌雷诺准数
R em Di2 N

190 60 0.45 1040 5 4 6 . 3 10 10 1.06 10 3
2
属湍流，由表8-7可知，对六弯叶涡轮搅拌器，K=4.8。 由 P KN 3D5 式，有
7-7生物反应器的比拟放大
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比重 所采用的经验放大准则
30%
30%
单位培养液体积消耗功率相同
kLa 恒定
20% 20%
搅拌桨叶端速度恒定 氧的分压恒定
7-7生物反应器的比拟放大
发酵工程的比拟放大，由于涉及到微生物复杂的 代谢活动，已经是一个非常复杂的问题，如果再 加上醪液的非牛顿特性，更增添了复杂的因素。 主要表现在影响生产过程的矛盾错综复杂，而且 对它们之间的互相制约和联系的情形所知不深， 往往解决了这个矛盾又激化了另外的矛盾。成功 进行比拟放大发酵过程的关键在于对其全部生物 化学反应进行更全面的了解，只有掌握了控制生 成预期产物的机理，才能把比拟放大建立在正确 的实验基础之上。
通风发酵罐的放大 7-7 生物反应器的比拟放大
大罐的搅拌转速为
P2 N2 5 K Di 2
13
45181 5 4.8 1040 0.96
13
2.23(r / s ) 134(r / m i n )
大罐的通风准数 Na2
思考题 参考文献
1.贾士儒. 生物反应工程原理（第三版）. 北京：科学出版社，2008. 2. 山根恒夫 . 生物反応工学（第3 版） . 日本東京：產業図書株式会社，2003. （邢新会译. 2006. 北京：化学工业出版社） 3.梁世中. 生物工程设备(第2版).北京：中国轻工业出版社，2011. 4.梁世中，朱明军. 生物反应工程与设备.广州：华南理工大学出版社，2011. 5.戚以政，夏杰，王炳武.生物反应工程(第2版).北京：化学工业出版社，2009. 6.刘晓兰. 生化工程.北京：清华大学出版社，2010. 7.伦世仪，堵国成.生化工程(第2版).北京：中国轻工业出版社，2008. 8.John Villadsen, Jens Nielsen ， Gnnar Lid é n. Bioreaction Engineering Principles(3rd Edition).北京：科学出版社，2012.
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Baidu Nhomakorabea比拟放大
Di 2 Di 1 D 2
2）液体深度为
0.45 D1 3 0.96(m ) 1.4
HL2
VL 2 Vb 40 3.82 h h 0.04 0.75 5.9(m) 1 b 2 4 D2 0.785 9
通风发酵罐的放大 7-7 生物反应器的比拟放大
小型和大型生物反应器设计的不同点
项目
功率消耗 反应器内 混合特性 换热系统
实验用小型反应器
不必考虑 空间因大量的控制、
生产用反应器
需认真对待 无此影响 需认真对待 较难解决
检测装置占去一定空间
可不必考虑 较易解决
7-7生物反应器的比拟放大 生物反应器的比拟放大 7-7
生物反应器的放大方法可分为: （1）数学模拟放大；根据有关原理和实验结果对实际对象 用数学方程加以描述，再用计算机进行模拟研究、设计和放大。 （2）因次分析法放大；因次分析法是依据相似原理，保持 无因次准数相等的原则进行放大 （3）经验法则放大(包括反复实验法、部分解析法放大等)。 是建立在小型试验或模拟中试试验实测数据和操作经验的基础 上的放大方法。由于多种原因，当对反应过程客观规律掌握不 够深刻、完整时，只能靠经验逐级放大。
生物反应工程原理
第七章生物反应器及其工程放大
钟成 生物工程学院404 czhong@tust.edu.cn,60601606
7 生物反应器及其工程放大
1. 2. 3. 4. 5. 6. 生物反应器设计基础 酶反应器分类及其操作参数 理想的酶反应器 通风发酵设备 嫌气发酵设备 生物反应器的比拟放大
学习目的：了解不同类型生物反应器的特性，掌握常用几类生 物反应器的基本概念与特征，能够依据生物反应动力学特征进 行相应生物反应器的设计与操作。
通风量为 通风准数为
QG1 0.2 4.0 0.8m3 / min
QG 1 0.8 2 Na1 4 . 62 10 0.035 3 3 N1Di1 190 0.45
所以， PG1 P2 (0.62 1.85Na1 )
4680 (0.62 1.85 0.0462 ) 2.5(kW)
通风发酵罐的放大 7-7 生物反应器的比拟放大
单位培养液体积消耗功率
PG1 VL1 2.5 4 0.63(kW/ m3 )
小罐中的气体空塔速度
w s1 QG 1 0.8 3 0 . 520 ( m / min) 8 . 67 10 (m / s) 2 2 4D1 0.785 1.4
0.4
由Moo-Young等提出的计算kLa 值的方程，有
PG1 0.5 0.4 3 k La 0.025 w 0 . 025 630 8 . 67 10 s1 V L1 搅拌器圆周线速度


0.5
0.0306(1 / s)
v1 N1Di1 190 0.45 3.14 268(m / min) 4.47(m / s)
3）采用kLa 值相同的原则放大，根据文献对氧传递系数采用
下式， k ( VG )H 3 La L VL 所以，通风量的放大为
2
VG V L
VG H L1 V 2 L 1 H L 2

2 3
2.7 0.2 5 . 9
7-7 生物反应器的比拟放大 （2）因次分析法放大；因次分析法是依据相似原理，保持无因
次准数相等的原则进行放大
类 型 动 量 传 递 准数名称 Reynolds 物 理 意 义 惯性力/黏性力 准 数 表 达 式
7-7生物反应器的比拟放大
Re＝ρNDi2/μ
Froude
Weber 功率准数
惯性力/重力
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
（ 1 ）数学模拟放大；这种方法关键是对生物反应过程建立合适 的数学方程，既数学模型。根据其数学模型类型不同分为基础 模型法和计算流体力学法。 基础模型由描述反应器内的传递现象 (流动、扩散、传导等 ) 方 程和生化反应动力学方程所组成。由于生物反应器和反应过程 的复杂性，使得真正用生化反应工程原理和方法进行反应器的 设计和放大的报导很少。 Moser等用不同规模反应器(0.25、1.5、3.2、90m3)，建立了包 括流体混合、氧传递及包括菌体生长、底物消耗、产物生成动 力学在内的谷氨酸发酵搅拌生物反应器（SBR）的总体数学模 型。计算出了90m3工业SBR的溶氧在轴向、径向上的分布和用 NH3控制pH所引起的发酵液pH的瞬态变化。
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）。
通风发酵罐的放大 7-7 生物反应器的比拟放大
（2）大罐的几何尺寸与工艺参数 1 1）主要几何尺寸 4V 3 2.95(m ) 按高径比为2.5设计，则罐径D2 D 2 2. 5
取D2 = 3m，则罐圆筒高度 H2 = 2.5D2 = 2.5×3 = 7.5（m） 查标准椭园形封头数据，当直径D2 =3m，直边高度h1=0.04m，
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。
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。
惯性力/表面张力
Fr＝ N2Di/g
We＝ρN2Di2d/σ
PN＝P0/(ρN3Di5)
总传质/扩散传质
(水力边界层/传质边界层)3 对流传质/扩散传质 过程时间/扩散时间 外部传质/内部传质 总传热/导热 (速度边界层/传热边界层)3
Sherwood
质 量 传 递 热量 传递 Schmidt Peclet Fourier Biot Nusselt Prandtl
PG PG 3 630 ( W / m ) V V L 1 L 2
大罐的搅拌功率为
PG 2 630 40 25200 ( W)
若假定
PG P2 0.55
则
PG 2 25200 P2 45818 ( W) 0.55 0.55
Sh＝kD/Di
Sc＝v/Di Pe＝vL/Di Fo＝ Dit/D2 Bi＝ kdp/Di Nu＝αD/λ Pr＝ V/α
7-7生物反应器的比拟放大
好氧生物反应器放大的经验准则有：
以单位发酵液体积所消耗的功率为基准的方法； 以氧的容积传质系数相等为基准的方法； 以搅拌器叶端速度相等为基准的方法； 以氧的分压相等为基准的方法； 以溶解氧浓度相等为基准的方法等。 由于溶解氧浓度直接影响微生物的活性，所以以溶解氧浓 度为基准的放大方法可能是较完善的方法，这种方法是建立在 可信赖的溶解氧浓度的测定技术之上的。
曲边高度hb=0.75m ，标准椭园形封头容积Vb=3.82m3 。 大罐的公称容积V为 V D2 H V 0.785 32 7.5 3.82 56.8(m) 2 b
4
2 D Vb D (h b ) 4 6
通风发酵罐的放大 7-7 生物反应器的比拟放大
当装填系数为0.7，装液量VL2 VL2 =56.8×0.7 = 40（m3） 搅拌桨直径Di2为
i
3 P KN 1 D5 i
4.8 190 60 0.45 1040 2925 2.92(kW )
3 5
通风发酵罐的放大 7-7 生物反应器的比拟放大
由式 Pm P(0.4 0.6m) ，求两档搅拌器时消耗的功率为
P2 P(0.4 0.6 2) 2925 (0.4 0.6 2) 4.68(kW)
Qg 2 N 2 Di32

4.8 0.0405 0.035 3 134 0.96
PG 2 所以， (0.62 1.85Na1 ) (0.62 1.85 0.0405 ) 0.55 P2 说明上面计算Pg时的假设是合理的。由于是按照单位体
积液体消耗的功率和大小罐的kLa值相等的原则放大，
2 3
0.119 [m 3 /(m 3 m i n )]
取
VG V L 3 3 0 . 12 [ m /( m m i n )] 2
QG 2 0.12 40 4.8[m3 min)]
通风发酵罐的放大 7-7 生物反应器的比拟放大
4）按单位体积液体消耗功率相等的原则，有