大学课件 生物工程设备 生物反应器的比拟放大.ppt

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1、第六章生物反应器的比拟放大生物反应器的放大目的及方法生物反应器的放大目的、内容生物反应器放大方法通风发酵罐的放大设计机械搅拌通风发酵罐的经验放大气升式发酵罐的放大生物反应器的比拟放大任何一个生物工程产品的研究开发周期必须经历3个阶段：（1）实验室阶段（2）中试阶段（3）工厂化规模比拟放大把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放大比拟放大的依据：1、单位体积液体的搅拌消耗功率2、搅拌雷诺准数3、溶氧系数4、搅拌器叶尖线速度，5、混合时间生物反应器的放大目的及方法生物反应器的放大目的应用理论分析和实验研究相结

2、合的方法，总结生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研究解决有关的质量传递、动量传递和热量传递问题，以便在反应器的放大过程中尽可能维持生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。生物反应器的放大目的及方法比拟放大的内容罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放大问题，这些内容都有一定的相互关系。生物反应器的开发和设计过程理论上，生物发酵过程和生物反应器的开发和设计过程由3步构成：（1）在较宽的培养条件（例如培养基的培养物质组分及其浓度、pH、溶氧速率和溶氧浓度、搅拌剪切强度等）下对所用的生物细胞种进行试验，以掌握细胞生长动力学及产物生成动力学等特性；（2）根据试验

3、结果，确定该生物发酵的最优的培养基配方和培养条件；（3）对有关的质量传递、热量传递、动量传递等微观衡算方程进行求解，导出能表达反应器内的环境条件和主要操作变量（搅拌转速、通风量、搅拌功率、基质流加速率等）之间的关系模型。然后，应用此数学模型，计算优化条件下主要操作变量的取值。生物反应器的放大目的及方法生物反应器放大方法理论方法半理论方法因次分析法数学模型法经验规则生物反应器的放大目的及方法理论放大方法所谓理论放大法，就是建立及求解反应系统的动量、质量和能量平衡方程。半理论放大方法对动量方程进行简化，只考虑液流主体的流动，忽略局部的复杂流动，进行设计放大。生物反应器的放大目

4、的及方法因次分析放大方法所谓因次分析放大法，就是在放大过程中，维持生物发酵系统参数构成的无因次数群（称为准数）恒定不变。因次分析法机理把反应系统的动量、质量、热量衡算以及有关的边界条件、初始条件以无因次形式写出用于放大过程。生物反应器的放大目的及方法类型准数名称物理意义准数表达式动量传递Reynolds惯性力/黏性力Re＝ρNDi2/μFroude惯性力/重力Fr＝N2Di/gWeber惯性力/表面张力We＝ρN2Di2d/σ功率准数Np＝P0/(ρN3Di5)质量传递Sherwood总传质/扩散传质Sh＝kD/DiSchmidt(水力边界层/传质边界层)3Sc＝v/Di

5、Peclet对流传质/扩散传质Pe＝vL/DiFourier过程时间/扩散时间Fo＝Dit/D2Biot外部传质/内部传质Bi＝kdp/Di热量传递Nussel总传质/导热Nu＝αD/λPrandtl(水力边界层/传热边界层)3Pr＝V/α表1生物反应过程常用的准数生物反应器的放大目的及方法数学模拟法是根据有关原理和必要的试验结果，对实际的过程用数学方程的形式加以描述，然后用计算机进行模拟研究、设计和放大。该法的数学模型根据建立方法不同可分为由过程机理推导而得到的“机理模型”、由经验数据归纳而得的“经验模型”和介于二者之间的“混合模型”。机理模型是从分析过程的机理出发而建

6、立起来的严谨的、系统的数学方程式。此模型建立的基础是必须对过程要有深刻而透彻的了解。经验模型是一种以小型实验、中间试验或生产装置上实测对数据为基础而建立的数学模型。混合模型是通过理论分析，确定各参数之间的函数关系的形式，在通过实验数据来确定此函数式中各参数的数值，也就是把机理模型和经验模型结合而得到的一种模型。数学模拟放大法进行发酵罐的放大数学模拟放大法进行发酵罐的放大基础实验测定值过程模拟用计算机作方案研究实验参数范围的制定小试中试基础模型的修正模型放大实验用计算机作设计计算过程的基本设计计算结果与实验结果的比较经验放大原则放大准则所占比例(%)放大准则所占比例(%)维

7、持P0/V不变30维持搅拌器叶尖线速度不变20维持kLa不变30维持培养液溶氧浓度不变20表2通气发酵罐放大准则生物反应器的放大目的及方法通风发酵罐的放大设计机械搅拌通风发酵罐的经验放大以体积溶氧系数kLa(或kd)相等为基准的放大法通气搅拌发酵罐的主要参数及计算公式：（1）不通气的搅拌功率P0＝NPρN3Di5（2）通气搅拌功率Pg＝2.25×10-3（P0NDi3/Q0.08)0.39或Pg≈0.4P0（3）循环时间tcir=V/φcir（4）循环速率φcir＝2φP（5）搅拌器泵送能力φP＝1.3NDi5（6）混合时间t