放大后转数， r/min 107 85
方法 等传质系数 等叶端速度 等混合时间
放大后转数， r/min 79 50 1260
通气Pg/V相等
放大方法的比较
方法 等体积功率
非通气Po/V相等
放大后转数， r/min 107 85
方法 等传质系数 等叶端速度 等混合时间
放大后转数， r/min 79 50 1260
•
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、 功率消耗、 功率消耗 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， 几何相似原则 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。
下标1为模型罐，下标2为放大罐
• （3）以体积传质系数 La相等的原则放大 以体积传质系数K 以体积传质系数
• 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 / Vs0.252 KLa ∝N2.45 Vs0 . 56 D1.32 按 (KLa)2 =(KLa)1 原则 N2 = N1 [Vs]1/(Vs)2]0.23 (D1/D2)0.533 (pg)2 =(pg)1[Vs]2/(Vs)1]0.067(D2/D1)3.667
VVm 放大后 1 0.3 0.513
Vs值 Vs 放大前 1 1 1 放大后 3.33 1 1.71
VVm相同 Vs相同 KLa相同
1 1 1
放大125倍时，不同放大判据的vvm和Vs值
放大判据
放大前
VVm 放大后 1 0.3 0.513
Vs值 放大前 1 1 1 放大后 3.33 1 1.71
（VVM）2 （VVM）1
=
D 1 2/3 （ ） D2
P1 P2
• 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：
• 放大125倍时，不同放大判据的vvm和Vs值
放大判据
放大前
第6章 生物反应器的比拟放大 章
• 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，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。
• 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
方法 等体积功率
非通气Po/V相等
操作状态
• 下标0为标准状态 ,下标1为操作状态。 π • V1 = D2Vs1 ， V0 =（VVM）VL 4 • VL ：反应液体积 • T0 =273 • T1 =273+t • P0 = 9.81×104Pa • P1 =PL (液柱平均绝对压力)
标准状态
• 整理出: Vs1 PLD2 m3/ m3· min • (VVM)= 27465.6 VL(273+t) Vs1 PLD2 • (VVM) ∝ VL
• 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。

• （5）以恒定混合时间作为放大或者校正基准 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。
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 D2 P1 Vs2 ,Vs2 可求 = D1 P2 Vs1
• (2)以空气直线流速相同的原则放大: • VS1=VS2
(VVM) 2 (VVM) 1
VVm相同 Vs相同 KLa相同
1 1 1
• 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。
• （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=Np ρN3D5 • Np:功率准数 Rem >104 时Np趋于常量 • Po∝N3D5 • 根据Michel 计算 Pg的公式 • Pg=C(Po2·ND3/Q0.56)0.45
• • • • •
= =
P2 P1 P2 P1
(
D2 D1 D1 D2
)2
VL1 VL2
(VVM) 2可求。
（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 Q • Kla ∝（ V ） （HL）2/3 L • 最后推导出：
Pg∝[(N3D5)2 ND3/(D2Vs)0.56]0.45 ∝ N3.15·D5.346/Vs0.252 Pg/V= N3.15·D2.346/Vs0.252 ∴ N2/N1=(D1/D2)0.745[Vs2/Vs1]0.08 Pg2/Pg1= (N2/N1)3·(D2/D1)5=(D2/D1)2.756[Vs2/Vs1]0.24
6.2 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。
根据气体定律： P0V0/T0=P1V1/T1
• 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 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） 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 250~500cm/s •
6. 1 几何尺寸放大
• 在反应罐的放大中，放大倍数实际上就 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
通气Pg/V相等
• 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。
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？
6.3 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，常用于发酵罐 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 Rem=104-106 ,Np 不变 功率准数：Np=Po/(ρN3D5) ∴ Po∝N3D5 V∝D3 ，( N3D2) = ( N3D2) 因此 Po/V∝N3D2 1 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。