生化工程第四章_發(fā)酵罐的比擬放大課件

1、第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大內(nèi)容一、以kLa（或kd）為基準(zhǔn)的比擬放大二、以P0/V相等為準(zhǔn)則的比擬放大法三、比擬放大的其他準(zhǔn)則四、發(fā)酵罐的比擬縮小生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物反應(yīng)器的放大是指將實(shí)驗(yàn)室研究設(shè)備中的優(yōu)化培養(yǎng)或發(fā)酵結(jié)果轉(zhuǎn)移到工業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器中加以重演的技術(shù)。這一技術(shù)實(shí)際上也兼具生物反應(yīng)過(guò)程放大的涵義。反應(yīng)器的放大是生物技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要組成部分，也是生物技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在生物反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)階段，首先進(jìn)行小型的工藝試驗(yàn)，以選擇反應(yīng)器的型式，決定

2、優(yōu)化的工藝條件，確定可望達(dá)到的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中試發(fā)酵生產(chǎn)。發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)步驟：在沒(méi)有把握的時(shí)候，需經(jīng)過(guò)多級(jí)的中間試驗(yàn)，每級(jí)只放大很低的倍數(shù)，這就是所謂的逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大方法，這種放大方法是相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)錢(qián)的。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物反應(yīng)器放大過(guò)程涉及培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境與細(xì)胞形態(tài)學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)和過(guò)程動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。培養(yǎng)-發(fā)酵環(huán)境又與生物反應(yīng)器中的流體力學(xué)性質(zhì)、傳遞現(xiàn)象(熱量和質(zhì)量傳遞)和培養(yǎng)-發(fā)酵液的理化性質(zhì)有密切關(guān)系。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大由于細(xì)胞的種類(lèi)不同，其形態(tài)與生理特性差異很大，致使培養(yǎng)-發(fā)酵液的理化性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜，常隨時(shí)間變化，加上培養(yǎng)-

3、發(fā)酵過(guò)程中以活細(xì)胞作為生物催化劑，而活細(xì)胞的代謝途徑以及遺傳持性對(duì)環(huán)境的影響十分敏感，這樣，生物反應(yīng)器的優(yōu)化實(shí)質(zhì)上是環(huán)境的優(yōu)化，生物反應(yīng)器放大的關(guān)鍵在于能把實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器的優(yōu)化環(huán)境成功地轉(zhuǎn)移到工業(yè)反應(yīng)器中。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大掌握對(duì)象的規(guī)律，對(duì)其作出數(shù)學(xué)描述，建立方程，然后通過(guò)方程的求解或數(shù)值計(jì)算進(jìn)行工廠(chǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，這是人們的普遍期望。由于生物反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜性，這種以數(shù)學(xué)解析為基礎(chǔ)的方法至今仍成效不大，解決生物反應(yīng)器放大問(wèn)題的本質(zhì)在于尋找反應(yīng)器的幾何尺度、操作條件與環(huán)境因素的確切關(guān)系，以使在實(shí)驗(yàn)室中的優(yōu)化環(huán)境能在工業(yè)中重演。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的

4、比擬放大相似性是生物反應(yīng)器放大的最基本原則，一般可用線(xiàn)性關(guān)系來(lái)描述:其中m表示放大模型變量，m 表示原型變量，k 是放大因子，方程是對(duì)所有變量有效還是只對(duì)部分變量有效，決定系統(tǒng)是全部還是部分相似，按照變量的性質(zhì)，相似性可分為五類(lèi)：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大1.幾何相似性；2.流體動(dòng)力學(xué)相似性；3.熱相似性；4.質(zhì)量(濃度)相似性；5.生物化學(xué)相似性；生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大按照上述的順序，前一級(jí)是后一級(jí)的前提。例如，如果需研究?jī)蓚€(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)相似性(流動(dòng)速率的分布相似)，必須首先了解幾何相似性。相似性的基本概念可表述為：如果兩個(gè)不同的系統(tǒng)能用相

5、同的微分方程來(lái)描述，并具有相同的外形特征，那么兩個(gè)系統(tǒng)將具有同一的行為方式。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求每次只改變一個(gè)變量，將其他變量固定，若涉及的變量很多，工作量必然很大，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果關(guān)聯(lián)成便于應(yīng)用的公式也很困難。通過(guò)因次分析法可將變量組合成無(wú)因次數(shù)群，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定數(shù)群之間的數(shù)值關(guān)系，數(shù)群的數(shù)目總是比變量的數(shù)目少，這樣實(shí)驗(yàn)與關(guān)聯(lián)工作都能夠得到簡(jiǎn)化。對(duì)于生物反應(yīng)過(guò)程這種復(fù)雜過(guò)程，工程技術(shù)中經(jīng)常采用的解決途徑是通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大事實(shí)上，生物技術(shù)追求的兩個(gè)系統(tǒng)之間的嚴(yán)格相似是不可能的。例如，為了在不同的

6、系統(tǒng)中獲得相同的渦流狀態(tài)，必須保持動(dòng)力學(xué)相似，也就是說(shuō)必須使 Re （慣性力/粘度）和 Fr （慣性力/重力）值同時(shí)相等，如果采用相同的流體，則不可能在不同大小的反應(yīng)器中獲得相同 Re 和 Fr 值，因?yàn)檫x擇相同 Re 值則表示小反應(yīng)器中將具有較高 Fr 值，產(chǎn)生更深的渦流。 生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大出于這種局限性，人們提出了速率限制和機(jī)理分析方法，在此基礎(chǔ)上得出這樣的結(jié)論：分步完成的任何過(guò)程中，相對(duì)較慢的步驟將成為整個(gè)過(guò)程的控制步驟。用來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)酵過(guò)程的物理特征一般包括混合時(shí)間、剪切力、熱量和質(zhì)量傳遞。質(zhì)量傳遞發(fā)生在整個(gè)發(fā)酵液內(nèi)，而熱量傳遞僅發(fā)生在熱交換的邊界層上。這

7、樣，就可以采用與過(guò)程放大無(wú)關(guān)的方法(如用冷凍機(jī)代替冷卻水或者采用外部熱交換器)來(lái)獲得大型發(fā)酵罐所需的熱量，因此，一般不考慮熱量傳遞的放大準(zhǔn)則。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大一個(gè)操作良好的發(fā)酵過(guò)程，需要考慮多方向的性能，如剪切力、宏觀(guān)混合、氧傳遞、CO2 排出、泡沫形成和操作成本。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作，必然受到來(lái)自這些方面的限制。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作中可以人為改變的只有幾何特征、攪拌轉(zhuǎn)速和通氣條件，對(duì)于一臺(tái)運(yùn)行中的反應(yīng)器，可以改變的常常只有攪拌轉(zhuǎn)速和通氣條件。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在放大過(guò)程中，需保持恒定的過(guò)程特性包括如下準(zhǔn)則：1)反應(yīng)器的幾何

8、特征；2)體積氧傳遞系數(shù) KLa；3)最大剪切力；4)單位體積液體的功率輸入 Pg/V；生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大5)單位體積液體的氣體體積流量，Q/V 或v.v.m (L/(Lmin)；6)表觀(guān)氣體流速 vs；7)混合時(shí)間；8)葉輪 Re 數(shù)；9)動(dòng)量因子；生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在生物反應(yīng)器的放大中，通常保持氧體積質(zhì)量傳遞系數(shù)(指由氣泡向微生物傳遞)的恒定，這巳由需氧發(fā)酵的工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果得到證實(shí)?，F(xiàn)在的主要問(wèn)題是如何提供足夠的氧。雖然足夠的氧供給并不意味著良好的混合。一、以kLa（或kd）為基準(zhǔn)的比擬放大生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵

9、罐的比擬放大為了在兩個(gè)不同的發(fā)酵罐中保持相同的 KLa值，所有影響 KLa值的變量都必須保持恒定。利用因次分析法，可建立關(guān)于無(wú)因次數(shù)群的關(guān)聯(lián)方程，方程中模量的相等將保證KLa值的恒定。事實(shí)上，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可獲得許多表示 KLa與不同變量(發(fā)酵罐、葉輪、培養(yǎng)基組分、微生物等)之間關(guān)系的關(guān)聯(lián)式。如：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大這里Pg表示通氣系統(tǒng)液體攪拌所消耗的功率，通常情況下，它的值是非通氣系統(tǒng)的2/5-3/5。此值可由Pg/和通氣值（N = F /ND3）的經(jīng)驗(yàn)公式得出。不同的關(guān)系式給出不同的結(jié)果，甚至相差很大。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大如：為了提

10、供100 m3（直徑為4.0 m）的發(fā)酵罐所需的功率。必須裝備兩只直徑為1.6 m，轉(zhuǎn)速為120 r/min 的葉輪。假定發(fā)酵液的粘度為10-3 Pas，當(dāng)氣體流速為20m3/min時(shí)，由 Michel-Miller 和 Oyama-Endon 關(guān)聯(lián)式分別計(jì)算功率值，結(jié)果為 658 kw 和 403 kw。偏差達(dá)60。事實(shí)上，如果操作規(guī)模下關(guān)聯(lián)式形式?jīng)]有變化，則 Re 和功率之間的關(guān)系為： 生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大因此，vs 值一但確定，也就確定了 Re 值。如果流體物性穩(wěn)定，則所有其他的量也將被確定。比如：生物工程專(zhuān)

11、業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大保持嚴(yán)格的幾何相似性常常并無(wú)必要，放大通常采用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法。 保持恒定的 kLa 值和最大剪切速率是一個(gè)很成功的應(yīng)用實(shí)例，為了成功地應(yīng)用這個(gè)技術(shù)，需要做到：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大1)為得到希望的 kLa 值和最大剪切速率，所需功率的計(jì)算方法要可靠；2)可靠地測(cè)量 kLa 值；3)能夠預(yù)測(cè)諸如壓力和表面通氣增加這些因素所造成的影響；4)能夠預(yù)測(cè)操作規(guī)模改變?cè)斐傻闹匾兞康膮^(qū)域分布。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大一旦施行放大，必須測(cè)試如下三個(gè)重要方面。1)主體混合 良好的氧供給并不意味著良好的混合；一

12、般而言，反應(yīng)器體積越大，所需混合時(shí)間越長(zhǎng)。體積（m3）0.010.051.01.864100120混合時(shí)間（s）1-52.2202967100140生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在發(fā)酵罐中，當(dāng)混合時(shí)間過(guò)大，形成滯留區(qū)；當(dāng)混合時(shí)間很小，細(xì)胞易遭受損傷，這種情況下，混合時(shí)間宜保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。發(fā)酵罐的不良混合會(huì)形成濃度和溫度梯度，給控制帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題。用酸和堿控制 pH 值時(shí)，如果加入口在自由表面之上或遠(yuǎn)離葉輪，會(huì)使發(fā)酵罐中 pH 值發(fā)生震蕩，使微生物遭受損傷。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大2)剪切應(yīng)力 由于對(duì)剪切應(yīng)力和形態(tài)之間的內(nèi)部聯(lián)系缺乏了解，特別是

13、對(duì)于形成微膠粒的微生物，葉輪最大線(xiàn)速率(葉尖速率)的放大總是憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大3)氧傳遞速率、在生物反應(yīng)器的放大中，還要考慮其他因素。工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器的高徑比大于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模反應(yīng)器；當(dāng)氣體向上流動(dòng)時(shí)，既提供了氧，也富積了CO2；罐壓也應(yīng)引起注意；如果氣-液間的質(zhì)量傳遞快于軸向混合，會(huì)存在軸向上的氧濃度梯度；CO2 的濃度也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，特別是在反應(yīng)器上部以及當(dāng)反應(yīng)器在高罐壓下運(yùn)行時(shí)。 生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大另外，氧的溶解度很低(10l0-4)，在很短的時(shí)間內(nèi)(30 s)，細(xì)胞中氧的供給就會(huì)達(dá)到臨界值。在高粘度發(fā)酵液中，還會(huì)形成

14、徑向梯度，葉輪周?chē)鮽鬟f速率高，應(yīng)使其他區(qū)域的微生物在氧消耗到臨界值之前循環(huán)進(jìn)入葉輪周?chē)鷧^(qū)域。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大例題：page 66第一步：試驗(yàn)罐 kd 值計(jì)算生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大根據(jù) p39查圓盤(pán)六彎葉渦輪，在充分湍流時(shí)，Np 4.7 ；雙渦輪攪拌器功率：根據(jù) p40 式3-2生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大根據(jù) p42公式 3-5 ：根據(jù) p55 3-28：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大第二步：按幾何相似原則確定20 M3 大罐的主要尺寸已知 H/DT = 2.4, HL/DT= 1.5,

15、DT/D = 3 有效容積為 60，則發(fā)酵液體積為 6020 12 M3 （忽略封底容積）生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大第三步：決定通氣量Q按照幾何相似原則放大設(shè)備，放大的倍數(shù)愈高，單位容積醪液具有的罐的橫截面積愈?。蝗绻?v.v.m 表示的通氣流率相等（v.v.m：?jiǎn)挝慌囵B(yǎng)液體積中空氣流量；大罐單位體積所需風(fēng)量比小罐小得多，罐的容積越大也就愈經(jīng)濟(jì)）則大罐的 vs 比小罐的 vs 將顯著增大，過(guò)大的 vs 將造成太多的泡沫和帶出液體，因此，在確定放大罐的通氣量時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到這個(gè)因素。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大根據(jù)小罐試驗(yàn)的情況，為避免逃液，放大罐的

16、 vs 取為150 cm/min，則該量約合原型罐的 0.46 v.v.m生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大第四步：按照 kd 相等的準(zhǔn)則決定大罐的攪拌軸功率及轉(zhuǎn)速根據(jù)前面已經(jīng)算出的原型罐的kd值對(duì)于大罐：則大罐的 pg 2851/N1.25pg 是大罐兩只渦輪通氣時(shí)的攪拌功率。為求出 pg 和 N，再根據(jù)以下公式列出另一算式：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大此處的 p0 是兩只渦輪不通氣時(shí)的攪拌軸功率，根據(jù)生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大聯(lián)立求解：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比

17、擬放大經(jīng)過(guò)放大后，兩罐的kd雖然相等，但因大罐的液柱高，其傳氧推動(dòng)力大，故傳氧速率較快。驗(yàn)證如下：如試驗(yàn)罐在試驗(yàn)時(shí)，罐壓為1.3大氣壓，液深造成的靜壓忽略不計(jì)；大罐操作壓也是1.3大氣壓，當(dāng)液深為3.24m時(shí)，平均靜壓0.162大氣壓。設(shè)罐內(nèi)溶氧濃度為零，則對(duì)于試驗(yàn)罐和放大罐分別為：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大二、以 P0 /V 相等為準(zhǔn)則的比擬放大通過(guò)攪拌和通氣方式供給系統(tǒng)的功率直接影響系統(tǒng)的流體力學(xué)行為和質(zhì)量傳遞特征，可以簡(jiǎn)單解釋為：Pg /V 值決定 Re 值，而 Re 值影響流體的湍動(dòng)程度，進(jìn)而影響質(zhì)量傳遞系數(shù)，特

18、別是氣泡的氧傳遞系數(shù)；另一方面，線(xiàn)性攪拌速率(DN)決定罐中的最大剪切力、除了可能的細(xì)胞損傷外，同時(shí)還影響氣泡和絮凝顆粒的穩(wěn)定尺寸。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大當(dāng)罐中的流體處于完全湍流狀態(tài)時(shí)，功率值是一個(gè)定值，即 P N3D5，由于V D3，所以上式對(duì)變?yōu)?；放大前后反?yīng)器的P/V值相等，故由上式得：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大例題：page 69對(duì)于原型罐：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大同樣，對(duì)于放大罐：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大然后再?zèng)Q定 Vs，計(jì)算出 P0 和 Pg生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵

19、罐的比擬放大P0 /V 與傳質(zhì)系數(shù)之間存在著密切的關(guān)系，但 P0 /V 相等并不意味著傳質(zhì)系數(shù)相等有人已經(jīng)證明，當(dāng)對(duì)這一傳質(zhì)過(guò)程起控制作用的雷諾準(zhǔn)數(shù)的指數(shù) 0.75時(shí)，如果 P0 /V 相等，以單位傳質(zhì)界面表示的傳質(zhì)系數(shù)kL相等，即(kL)1=(kL)2;證明如下：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大對(duì)于相同的液體，物理性常數(shù)( d、等)相等，另外，在幾何相似的設(shè)備里，幾何尺寸之比為常數(shù)。Rushton關(guān)于單位傳質(zhì)面積的傳質(zhì)系數(shù)的因次分析式（page 74,4-28式）可簡(jiǎn)化為：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生

20、物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大即是說(shuō)，當(dāng)0.75時(shí)，不論 D2/D1 如何，單位體積等功率的放大方法都可以應(yīng)用，能滿(mǎn)足 (kL)1=(kL)2生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大三、比擬放大的其他準(zhǔn)則1.恒周線(xiàn)速度絲狀菌發(fā)酵受剪率，特別是攪拌葉輪尖端線(xiàn)速度（ND）的影響較為明顯。如果僅僅保持kLa相等或P0/V相等，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的失誤。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在P0/V相等條件下，D/T比愈小，則N必須增大才能滿(mǎn)足P0/V相等，這就造成剪率增大，這有利于菌絲團(tuán)的破碎和氣泡的分散，這樣不但有利于傳氧速率加快，也有利于代謝產(chǎn)物向外擴(kuò)散，這對(duì)

21、產(chǎn)物抑制的發(fā)酵可能有重要意義。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大所以對(duì)于這類(lèi)發(fā)酵體系，攪拌渦輪周線(xiàn)速度也被認(rèn)為是比擬放大的基準(zhǔn)之一。但也不是 D/T 值愈小愈好，D/T 過(guò)小，則混合時(shí)間延長(zhǎng)，這會(huì)對(duì)生產(chǎn)發(fā)生不利影響。周線(xiàn)速度一般在250-500 cm/s 范圍內(nèi)。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大2.恒混合時(shí)間混合時(shí)間的定義是把少許具有與攪拌罐內(nèi)的液體相同物性的液體注入攪拌罐內(nèi)，兩者達(dá)到分子水平的均勻混合所需要的時(shí)間。低粘度液體在小罐內(nèi)的混合時(shí)間很短，罐愈大，混合時(shí)間就愈長(zhǎng)。實(shí)際上，按等混合時(shí)間放大是很難做到的，因?yàn)橐龅竭@一點(diǎn)，放大罐的渦輪轉(zhuǎn)速要比小罐提高很多

22、。但可作為一個(gè)核算指標(biāo)，對(duì)某些體系確實(shí)必要。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大如，在一個(gè)大型的，特別是D/T比值不大的分批發(fā)酵罐里，采用濃基質(zhì)流加發(fā)酵時(shí)，如果只有單流點(diǎn)（只有一個(gè)加料頭），則混合時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)較大的濃度梯度，這必然影響到宏觀(guān)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，不僅如此，在某些具體的發(fā)酵體系中，還可能導(dǎo)致生產(chǎn)菌株代謝途徑的改變；在基質(zhì)抑制的情況下，會(huì)使反應(yīng)速率明顯下降。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大有人對(duì)把系統(tǒng)攪拌混合到分子水平均勻的混合時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)，并按混合時(shí)間相等的原則進(jìn)行了放大，當(dāng)Re105時(shí)，最終得到如下關(guān)系：可見(jiàn)，放大罐的體積愈大，混合時(shí)

23、間就愈長(zhǎng)。在具體實(shí)踐中，為降低混合時(shí)間，在某些情況下，較合理的措施是增加進(jìn)液點(diǎn)。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大壓頭：工程上將每公斤力的流體所具有的各種形式的能量統(tǒng)稱(chēng)為壓頭，如H稱(chēng)為位壓頭；P/g 稱(chēng)為靜壓頭；攪拌液流速度壓頭（H）正比于渦輪葉尖線(xiàn)速度的平方，即：3.攪拌速度液流壓頭（H）、攪拌液流循環(huán)量（Q）以及 Q/H 比值對(duì)比擬放大的意義生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大攪拌液流循環(huán)量 Q 正比于渦輪的旋轉(zhuǎn)面積及葉緣線(xiàn)速度，即：H 愈大，液體的湍動(dòng)程度愈高，剪率愈大，有利于菌絲團(tuán)及氣泡的分散，有利于傳質(zhì)。上面關(guān)于H、Q 表達(dá)式表明：增加攪拌直徑D，對(duì)增加

24、輸液量 Q，即對(duì)混合更為有利；增加攪拌轉(zhuǎn)速N，對(duì)提高流速壓頭H，即對(duì)提高溶氧更為有利。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大在比擬放大設(shè)計(jì)中，既需要提高 H，也需要增大Q；既需要增加 N，也需要增加D，然而受到功率定額的限制，對(duì) N、D兩者都不能任意增大。在 P0 /V 不變的條件下，增大 D 就必須相應(yīng)降低 N，反之亦然。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大如果還要照顧到符合幾何相似，則 D/T 比例不變，更不能任意增加大罐的 D；既要符合幾何相似，又要同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)相似，實(shí)際上是不可能的，因此，在這種情況下，往往需要多少犧牲一下幾何相似的原則，以取得較好的傳質(zhì)相似及

25、良好的混合，因?yàn)楹笳呤潜葦M放大成敗的關(guān)鍵。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大實(shí)際上對(duì)某些絲狀菌發(fā)酵體系，溶氧速率固然重要，但對(duì)剪率及混合時(shí)間也相當(dāng)敏感，在這樣的條件下，Q/H 比值就成為比擬放大中的一個(gè)重要的附加指標(biāo)。換言之，如果小罐中獲得了好的成績(jī)，可以認(rèn)為此小罐的 Q/H 比值是適合的，此比值就成為比擬放大的重要附加指標(biāo)。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大Q/H 值是表征湍流強(qiáng)度、混合效果和對(duì)菌體剪切程度的一個(gè)綜合指標(biāo)；其調(diào)節(jié)步驟如下：當(dāng)選擇大型罐的功率時(shí)，如把初步選定的功率視為定值，則：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化

26、工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大該式表明：Q/H 隨著攪拌直徑 D 的 8/3次方而變化，參照小型罐的 Q/H 值，選定大罐適當(dāng)?shù)?D 和 N，利用上式進(jìn)行Q/H 核算，如果仍不夠滿(mǎn)意，允許再動(dòng)D、N 和 P0，直到湍流強(qiáng)度、混合效果、菌體剪應(yīng)極限值等都基本符合或接近原型試驗(yàn)或原生產(chǎn)指標(biāo)為止。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大當(dāng)然采用加強(qiáng)攪拌混合的辦法時(shí)，還應(yīng)考慮其他因素，例如罐高度或液面高度對(duì)罐直徑之間的適當(dāng)比例 HL/T、攪拌渦輪數(shù)目，一級(jí)攪拌渦輪之間的距離 S 。這些因素對(duì)溶氧速率、混合效果和功率也都有直接或間接的影響。所以，在調(diào)整 Q/H 值時(shí)，必須結(jié)合這些因素一并考慮。

27、總起來(lái)說(shuō)，對(duì)于非牛頓醪，攪拌直徑要偏大些，攪拌渦輪間的距離要偏小些，攪拌渦輪只數(shù)也相應(yīng)的偏多，而功率也就可能偏大。生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大例題P71例4-3解： 既然體系為溶氧速率控制，對(duì)剪應(yīng)敏感，故以P0/V相等為放大罐的準(zhǔn)則，同時(shí)把 QV/H及DN (葉輪尖端線(xiàn)速度)作為核算指標(biāo)， 以保證剪率增大不超過(guò)50，同時(shí)混合時(shí)間不過(guò)分增長(zhǎng)。 生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大小罐的主要特征： 生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大，則 又因?yàn)?則 可寫(xiě)成(為比例系數(shù))生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大那么 線(xiàn)速度為： 按P0/V相等放大至30m3，幾何相似，則： 生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大小罐： 大罐：生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大因?yàn)榘碢0/V相等放大生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大因?yàn)閹缀蜗嗨?，或在基本相似的條件下，兩罐的比例系數(shù)應(yīng)相等，即 K1 = K2 ,這時(shí) :比下降約90(比較上面數(shù)字)。這樣混合時(shí)間有較大的延長(zhǎng)。 生物工程專(zhuān)業(yè)課程生化工程 第五章 發(fā)酵罐的比擬放大另外，(DN)1比(DN)2的