1、第5章 生物反应器的比拟放大,在实验室里用小型设备进行科学实验，获得了高的产量和效率，如何在大型的生产规模设备里予以重现，也就是大型设备的几何尺寸、功率、空气流量、搅拌转数都是怎样的才能再现小型设备里的好结果？ 这就是比拟放大要解决的问题。,生物反应器的比拟放大是生物工程中一个重要课题。比拟放大法在化学工业和生物产业已经获得很多成功的例子，相对而言，生物反应过程复杂性远大于化工过程，影响过程的参数和因素也较多。一般说来，菌种的接入方式、菌龄、接种量、培养基组成、加料方式、pH值、操作温度、罐压、溶氧速率、搅拌混合强度等因素，都不同程度地影响细胞的反应过程。而实际影响生物过程的因素还远远不止这些
2、，其中有一些虽已被认识，但目前的科学实验水平尚还不能对它进行测量和控制，有一些则还未被认识。,在现有科学技术水平上，还没有条件对所有因素的影响进行综合全面的考虑和综合分析，而只能选择其中最关键、最重要的参数进行考虑。这些参数有功率消耗、溶氧系数、桨尖速度等。但遗憾的是到今天为止，尚未得出一个十分有效准确的放大关联式，所以生物反应罐的放大技术还处于经验和半经验状态。本章讨论的放大是指在模型罐和生产罐之间以几何相似原则为前提。在生物反应罐放大中，主要解决放大后生产罐的空气流动、搅拌转速和搅拌功率消耗等问题上。本章重点讨论机械搅拌罐反应器的放大问题。,5. 1 几何尺寸放大,在反应罐的放大中，放大倍
3、数实际上就是罐的体积增加倍数。放大倍数 m=V放大/V模型 一般要保持几何相似的原则，那么 H1/D1=H2/D2=A(常数)V2/V1=(D2/D1)3=m D2/D1=m1/3(H2/H1)3=m H2/H1= m1/3,5.2 空气流量放大,生物反应中空气流量一般有两种表示方法：1以单位培养液体积在单位时间内通入的空气量VVM（标准状态）来表示 （m3/ m3 h） 2以操作状态下的空气直线速度Vs表示，m/min 两种空气流量表示方式可以换算。,下标0为标准状态 ,下标1为操作状态。V1 = D2Vs1 ， V0 =（VVM）VLVL ：反应液体积 T0 =273 T1 =273+t
4、P0 = 9.81104Pa P1 =PL (液柱平均绝对压力),根据气体定律： P0V0/T0=P1V1/T1,4,标准状态,操作状态,整理出:(VVM)=(VVM) ,Vs1 PLD2,27465.6 VL(273+t),m3/ m3 min,标准状态,下面讨论三种空气流量的放大方法 : (1)以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大：(vvm)1=(vvm)2 Vs(vvm)VL/PD2 (vvm)D/P,Vs1 PLD2,VL,Vs2,Vs1,=,D2,D1,P1,P2,Vs2,可求,(2)以空气直线流速相同的原则放大:VS1=VS2,(VVM) 2,(VVM) 1,=,P 2,P 1
5、,D 2,D 1,(,) 2,VL1,VL2,=,P 2,P 1,D 1,D 2,(VVM) 2可求。因为V2/V1=(D2/D1)3,（3）以 KLa 值相同的原则放大,Kd=(2.36+3.30Ni) (Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9 式中有Pg、N等未定参数。 可考虑用其它经验式，如Kla （ ） （HL）2/3 最后推导出：,Q,VL,（VVM）2,（VVM）1,=,（ ） 2/3,D 1,D 2,P 2,P 1,用不同的放大原则放大反应器的结果是不同的。举例如下： 若V2/V1=125, D2=5D1,P2=1.5P1,则用上述三种不同放大方法计算出来的空气量如表所示：
6、放大125倍时，不同放大判据的vvm和Vs值,若以VVm 相同原则放大，放大125倍后，Vs增加了 3.33倍，因气速太大，跑料可能严重，还容易使搅拌器处于被空气所包围的状态，不能加强气液接触和搅拌液体的作用。若以Vs相同方法进行放大 ，则VVm值在放大后仅为放大前的30%。此值又过低。因此人们认为以KLa相同原则放大，其合理性大，放大后的VVm和Vs值比较适合。,放大125倍时，不同放大判据的vvm和Vs值,5.3 搅拌功率及搅拌转数的放大,搅拌功率以及搅拌转数放大的方法很多，用于发酵罐的三种放大方法如下： （1）以单位体积培养液所消耗的功率相同原则放大 (Po/V)1=(Po/V)2 Re
7、m=104-106 ,Np 不变 功率准数：Np=Po/(N3D5) PoN3D5 VD3 因此 Po/VN3D2 ，( N3D2) 1 = ( N3D2) 2 确定转数 N2=N1(D1/D2)2/3 （P0）2 / （P0）1 =(N2/N1)3(D2/D1)5 下标1是模型罐，下标2是放大罐。,（2）以单位培养液体积所消耗的通气功率相同原则放大 此时 (Pg/V)1=(Pg/V)2 Po=NpN3D5 Np:功率准数 Rem 104 时Np趋于常量PoN3D5 根据Michel 计算 Pg的公式 Pg=C(Po2ND3/Q0.56)0.45,Pg(N3D5)2 ND3/(D2Vs)0.5
8、60.45 N3.15D5.346/Vs0.252 Pg/V= N3.15D2.346/Vs0.252 N2/N1=(D1/D2)0.745Vs2/Vs10.08Pg2/Pg1= (N2/N1)3(D2/D1)5=(D2/D1)2.756Vs2/Vs10.24,下标1为模型罐，下标2为放大罐,（3）以体积传质系数KLa相等的原则放大 由于气液接触过程中，传质系数的关联式较多，以福田秀雄的关联式为放大基准Kd=(2.36+3.30Ni) (Pg/V)0.56*Vs0.7*N0.7*10-9,KLa(Pg/V) 0 . 56Vs0.7N0.7 因Pg/V N3.15 D2.346 / Vs0.25
9、2 KLa N2.45 Vs0 . 56 D1.32 按 (KLa)2 =(KLa)1 原则 N2 = N1 Vs1/(Vs)20.23 (D1/D2)0.533 (pg)2 =(pg)1Vs2/(Vs)10.067(D2/D1)3.667,除上述放大原则以外，还有两个原则需要考虑： （4）以恒定搅拌叶轮尖端线速度作为放大原则（或者作为校正原则）丝状菌受剪率，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相等或者Po/V相等，可能导致严重的失误。一般认为搅拌桨叶端速度的合适范围为250500cm/s,（5）以恒定混合时间作为放大或者校正基准 混合时间的定义是把少许具有与搅拌罐内的液
10、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。 低粘度的液体在小搅拌罐内的混合时间很短。罐越大混合时间就越长。 实际上按等混合时间放大是很难做到的。因为要做到这一点 ，放大罐的涡轮转速要比小罐提高很多。但作为一个校核指标，对某些体系确实必要。,例如在一个大型的分批反应罐里，采用浓的基质流加培养，如果只有单点流加，则混合时间可能长达数分钟，反应器内出现较大的浓度梯度，这必然会影响宏观反应动力学，可能导致反应速率下降。 恒混合时间指大罐的混合时间不要比小罐长太多。 降低混合时间较合理的措施是增加进液点。,例如ICI公司用1500 m3的气升内环流反应器，以甲醇为原料连续生产
11、SCP ，为了解决甲醇浓度的分布问题，在全反应器中采用了多达到3千只进甲醇的喷嘴，使得稳态发酵液中的甲醇浓度保持为2ppm。解除了甲醇对生产菌株的生长抑制。,需要指出的是各种放大方法各强调一个侧重点，得出的结论往往有较大的差异。下表列出的是由10L 小罐（N=500r/min，通气1VVm）放大到10000L（放大1000倍）时，按照不同的放大准则所得出的结论，并以搅拌转速来进行比较。放大方法的比较,按照不同准则放大，结果是放大后的反应器操作条件不一样，这说明放大中选用什么准则是最重要的，这要根据放大体系的特点而确定。 一般工业发酵罐放大过程中以Pg/V为准则放大采用的较多。,放大方法的比较,复习题,1、反应器比拟放大的重要性？ 2、空气流量放大有那些方法？ 3、搅拌功率及搅拌转数放大有那些方法？,
