生化工程第四章发酵罐的比拟放大.ppt

第五章 发酵罐的比拟放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,内容,一、以kLa（或kd）为基准的比拟放大,二、以P0/V相等为准则的比拟放大法,三、比拟放大的其他准则,四、发酵罐的比拟缩小,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,生物反应器的放大是指将实验室研究设备中的优化培养或发酵结果转移到工业规模的生物反应器中加以重演的技术。这一技术实际上也兼具生物反应过程放大的涵义。反应器的放大是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果实现产业化的关键之一。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,在生物反应过程的开发阶段，首先进行小型的工艺试验，以选择反应器的型式，决定优化的工艺条件，确定可望达到的各项技术指标中试发酵生产。,发酵产品产业化开发步骤：,在没有把握的时候，需经过多级的中间试验，每级只放大很低的倍数，这就是所谓的逐级经验放大方法，这种放大方法是相当费时费钱的。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,生物反应器放大过程涉及培养-发酵环境与细胞形态学、细胞生理学和过程动力学之间的关系。培养-发酵环境又与生物反应器中的流体力学性质、传递现象(热量和质量传递)和培养-发酵液的理化性质有密切关系。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,由于细胞的种类不同，其形态与生理特性差异很大，致使培养-发酵液的理化性质相当复杂，常随时间变化，加上培养-发酵过程中以活细胞作为生物催化剂，而活细胞的代谢途径以及遗传持性对环境的影响十分敏感，这样，生物反应器的优化实质上是环境的优化，生物反应器放大的关键在于能把实验室反应器的优化环境成功地转移到工业反应器中。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,掌握对象的规律，对其作出数学描述，建立方程，然后通过方程的求解或数值计算进行工厂的设计计算，这是人们的普遍期望。由于生物反应过程的复杂性，这种以数学解析为基础的方法至今仍成效不大，解决生物反应器放大问题的本质在于寻找反应器的几何尺度、操作条件与环境因素的确切关系，以使在实验室中的优化环境能在工业中重演。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,相似性是生物反应器放大的最基本原则，一般可用线性关系来描述:,其中m表示放大模型变量，m 表示原型变量，k 是放大因子，方程是对所有变量有效还是只对部分变量有效，决定系统是全部还是部分相似，按照变量的性质，相似性可分为五类：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,1.几何相似性；2.流体动力学相似性；3.热相似性；4.质量(浓度)相似性；5.生物化学相似性；,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,按照上述的顺序，前一级是后一级的前提。例如，如果需研究两个系统的动力学相似性(流动速率的分布相似)，必须首先了解几何相似性。相似性的基本概念可表述为：如果两个不同的系统能用相同的微分方程来描述，并具有相同的外形特征，那么两个系统将具有同一的行为方式。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,实验时，要求每次只改变一个变量，将其他变量固定，若涉及的变量很多，工作量必然很大，将实验结果关联成便于应用的公式也很困难。通过因次分析法可将变量组合成无因次数群，然后通过实验方法确定数群之间的数值关系，数群的数目总是比变量的数目少，这样实验与关联工作都能够得到简化。,对于生物反应过程这种复杂过程，工程技术中经常采用的解决途径是通过实验建立经验关系式。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,事实上，生物技术追求的两个系统之间的严格相似是不可能的。例如，为了在不同的系统中获得相同的涡流状态，必须保持动力学相似，也就是说必须使 Re（惯性力/粘度）和 Fr（惯性力/重力）值同时相等，如果采用相同的流体，则不可能在不同大小的反应器中获得相同 Re 和 Fr 值，因为选择相同 Re 值则表示小反应器中将具有较高 Fr 值，产生更深的涡流。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,出于这种局限性，人们提出了速率限制和机理分析方法，在此基础上得出这样的结论：分步完成的任何过程中，相对较慢的步骤将成为整个过程的控制步骤。,用来评价发酵过程的物理特征一般包括混合时间、剪切力、热量和质量传递。质量传递发生在整个发酵液内，而热量传递仅发生在热交换的边界层上。这样，就可以采用与过程放大无关的方法(如用冷冻机代替冷却水或者采用外部热交换器)来获得大型发酵罐所需的热量，因此，一般不考虑热量传递的放大准则。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,一个操作良好的发酵过程，需要考虑多方向的性能，如剪切力、宏观混合、氧传递、CO2 排出、泡沫形成和操作成本。生物反应器的设计和操作，必然受到来自这些方面的限制。生物反应器的设计和操作中可以人为改变的只有几何特征、搅拌转速和通气条件，对于一台运行中的反应器，可以改变的常常只有搅拌转速和通气条件。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,在放大过程中，需保持恒定的过程特性包括如下准则：1)反应器的几何特征；2)体积氧传递系数 KLa；3)最大剪切力；4)单位体积液体的功率输入 Pg/V；,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,5)单位体积液体的气体体积流量，Q/V 或(L/(Lmin)；6)表观气体流速 vs；7)混合时间；8)叶轮 Re 数；9)动量因子；,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,在生物反应器的放大中，通常保持氧体积质量传递系数(指由气泡向微生物传递)的恒定，这巳由需氧发酵的工业生产结果得到证实。现在的主要问题是如何提供足够的氧。虽然足够的氧供给并不意味着良好的混合。,一、以kLa（或kd）为基准的比拟放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,为了在两个不同的发酵罐中保持相同的 KLa值，所有影响 KLa值的变量都必须保持恒定。利用因次分析法，可建立关于无因次数群的关联方程，方程中模量的相等将保证KLa值的恒定。事实上，利用实验数据可获得许多表示 KLa与不同变量(发酵罐、叶轮、培养基组分、微生物等)之间关系的关联式。如：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,这里Pg表示通气系统液体搅拌所消耗的功率，通常情况下，它的值是非通气系统的2/5-3/5。此值可由Pg/和通气值（N=F/ND3）的经验公式得出。不同的关系式给出不同的结果，甚至相差很大。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,如：为了提供100 m3（直径为4.0 m）的发酵罐所需的功率。必须装备两只直径为1.6 m，转速为120 r/min 的叶轮。假定发酵液的粘度为10-3 Pas，当气体流速为20m3/min时，由 Michel-Miller 和 Oyama-Endon 关联式分别计算功率值，结果为 658 kw 和 403 kw。偏差达60。,事实上，如果操作规模下关联式形式没有变化，则 Re 和功率之间的关系为：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,因此，vs 值一但确定，也就确定了 Re 值。如果流体物性稳定，则所有其他的量也将被确定。比如：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,保持严格的几何相似性常常并无必要，放大通常采用技术和经验相结合的方法。,保持恒定的 kLa 值和最大剪切速率是一个很成功的应用实例，为了成功地应用这个技术，需要做到：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,1)为得到希望的 kLa 值和最大剪切速率，所需功率的计算方法要可靠；2)可靠地测量 kLa 值；3)能够预测诸如压力和表面通气增加这些因素所造成的影响；4)能够预测操作规模改变造成的重要变量的区域分布。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,一旦施行放大，必须测试如下三个重要方面。1)主体混合 良好的氧供给并不意味着良好的混合；一般而言，反应器体积越大，所需混合时间越长。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,在发酵罐中，当混合时间过大，形成滞留区；当混合时间很小，细胞易遭受损伤，这种情况下，混合时间宜保持在一个适当的范围内。发酵罐的不良混合会形成浓度和温度梯度，给控制带来严重问题。用酸和碱控制 pH 值时，如果加入口在自由表面之上或远离叶轮，会使发酵罐中 pH 值发生震荡，使微生物遭受损伤。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,2)剪切应力 由于对剪切应力和形态之间的内部联系缺乏了解，特别是对于形成微胶粒的微生物，叶轮最大线速率(叶尖速率)的放大总是凭经验来确定。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,3)氧传递速率、在生物反应器的放大中，还要考虑其他因素。,工业规模反应器的高径比大于实验室规模反应器；当气体向上流动时，既提供了氧，也富积了CO2；罐压也应引起注意；如果气-液间的质量传递快于轴向混合，会存在轴向上的氧浓度梯度；CO2 的浓度也会带来问题，特别是在反应器上部以及当反应器在高罐压下运行时。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,另外，氧的溶解度很低(10l0-4)，在很短的时间内(30 s)，细胞中氧的供给就会达到临界值。在高粘度发酵液中，还会形成径向梯度，叶轮周围氧传递速率高，应使其他区域的微生物在氧消耗到临界值之前循环进入叶轮周围区域。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,例题：page 66,第一步：试验罐 kd 值计算,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,根据 p39查圆盘六弯叶涡轮，在充分湍流时，Np 4.7；双涡轮搅拌器功率：根据 p40 式3-2,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,根据 p42公式 3-5：,根据 p55 3-28：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,第二步：按几何相似原则确定20 M3 大罐的主要尺寸,已知 H/DT=2.4,HL/DT=1.5,DT/D=3 有效容积为 60，则发酵液体积为 6020 12 M3（忽略封底容积）,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,第三步：决定通气量Q,按照几何相似原则放大设备，放大的倍数愈高，单位容积醪液具有的罐的横截面积愈小；如果以 表示的通气流率相等（：单位培养液体积中空气流量；大罐单位体积所需风量比小罐小得多，罐的容积越大也就愈经济）则大罐的 vs 比小罐的 vs 将显著增大，过大的 vs 将造成太多的泡沫和带出液体，因此，在确定放大罐的通气量时，应当考虑到这个因素。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,根据小罐试验的情况，为避免逃液，放大罐的 vs 取为150 cm/min，则,该量约合原型罐的 0.46,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,第四步：按照 kd 相等的准则决定大罐的搅拌轴功率及转速,根据前面已经算出的原型罐的kd值对于大罐：,则大罐的 pg 2851/N1.25,pg 是大罐两只涡轮通气时的搅拌功率。为求出 pg 和 N，再根据以下公式列出另一算式：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,此处的 p0 是两只涡轮不通气时的搅拌轴功率，根据,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,联立求解：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,经过放大后，两罐的kd虽然相等，但因大罐的液柱高，其传氧推动力大，故传氧速率较快。验证如下：,如试验罐在试验时，罐压为1.3大气压，液深造成的静压忽略不计；大罐操作压也是1.3大气压，当液深为3.24m时，平均静压0.162大气压。设罐内溶氧浓度为零，则对于试验罐和放大罐分别为：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,二、以 P0/V 相等为准则的比拟放大,通过搅拌和通气方式供给系统的功率直接影响系统的流体力学行为和质量传递特征，可以简单解释为：Pg/V 值决定 Re 值，而 Re 值影响流体的湍动程度，进而影响质量传递系数，特别是气泡的氧传递系数；另一方面，线性搅拌速率(DN)决定罐中的最大剪切力、除了可能的细胞损伤外，同时还影响气泡和絮凝颗粒的稳定尺寸。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,当罐中的流体处于完全湍流状态时，功率值是一个定值，即 P N3D5，由于V D3，所以上式对变为；,放大前后反应器的P/V值相等，故由上式得：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,例题：page 69,对于原型罐：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,同样，对于放大罐：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,然后再决定 Vs，计算出 P0 和 Pg,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,P0/V 与传质系数之间存在着密切的关系，但 P0/V 相等并不意味着传质系数相等,有人已经证明，当对这一传质过程起控制作用的雷诺准数的指数 0.75时，如果 P0/V 相等，以单位传质界面表示的传质系数kL相等，即(kL)1=(kL)2;证明如下：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,对于相同的液体，物理性常数(d、等)相等，另外，在几何相似的设备里，几何尺寸之比为常数。,Rushton关于单位传质面积的传质系数的因次分析式（page 74,4-28式）可简化为：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,即是说，当0.75时，不论 D2/D1 如何，单位体积等功率的放大方法都可以应用，能满足(kL)1=(kL)2,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,三、比拟放大的其他准则,1.恒周线速度,丝状菌发酵受剪率，特别是搅拌叶轮尖端线速度（ND）的影响较为明显。如果仅仅保持kLa相等或P0/V相等，可能导致严重的失误。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,在P0/V相等条件下，D/T比愈小，则N必须增大才能满足P0/V相等，这就造成剪率增大，这有利于菌丝团的破碎和气泡的分散，这样不但有利于传氧速率加快，也有利于代谢产物向外扩散，这对产物抑制的发酵可能有重要意义。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,所以对于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为是比拟放大的基准之一。,但也不是 D/T 值愈小愈好，D/T 过小，则混合时间延长，这会对生产发生不利影响。周线速度一般在250-500 cm/s 范围内。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,2.恒混合时间,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。,低粘度液体在小罐内的混合时间很短，罐愈大，混合时间就愈长。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。但可作为一个核算指标，对某些体系确实必要。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,如，在一个大型的，特别是D/T比值不大的分批发酵罐里，采用浓基质流加发酵时，如果只有单流点（只有一个加料头），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，这必然影响到宏观反应动力学，不仅如此，在某些具体的发酵体系中，还可能导致生产菌株代谢途径的改变；在基质抑制的情况下，会使反应速率明显下降。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,有人对把系统搅拌混合到分子水平均匀的混合时间进行了试验，并按混合时间相等的原则进行了放大，当Re105时，最终得到如下关系：,可见，放大罐的体积愈大，混合时间就愈长。,在具体实践中，为降低混合时间，在某些情况下，较合理的措施是增加进液点。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,压头：工程上将每公斤力的流体所具有的各种形式的能量统称为压头，如H称为位压头；P/g 称为静压头；,搅拌液流速度压头（H）正比于涡轮叶尖线速度的平方，即：,3.搅拌速度液流压头（H）、搅拌液流循环量（Q）以及 Q/H 比值对比拟放大的意义,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,搅拌液流循环量 Q 正比于涡轮的旋转面积及叶缘线速度，即：,H 愈大，液体的湍动程度愈高，剪率愈大，有利于菌丝团及气泡的分散，有利于传质。,上面关于H、Q 表达式表明：增加搅拌直径D，对增加输液量 Q，即对混合更为有利；增加搅拌转速N，对提高流速压头H，即对提高溶氧更为有利。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,在比拟放大设计中，既需要提高 H，也需要增大Q；既需要增加 N，也需要增加D，然而受到功率定额的限制，对 N、D两者都不能任意增大。,在 P0/V 不变的条件下，增大 D 就必须相应降低 N，反之亦然。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,如果还要照顾到符合几何相似，则 D/T 比例不变，更不能任意增加大罐的 D；既要符合几何相似，又要同时实现传质相似，实际上是不可能的，因此，在这种情况下，往往需要多少牺牲一下几何相似的原则，以取得较好的传质相似及良好的混合，因为后者是比拟放大成败的关键。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,实际上对某些丝状菌发酵体系，溶氧速率固然重要，但对剪率及混合时间也相当敏感，在这样的条件下，Q/H 比值就成为比拟放大中的一个重要的附加指标。换言之，如果小罐中获得了好的成绩，可以认为此小罐的 Q/H 比值是适合的，此比值就成为比拟放大的重要附加指标。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,Q/H 值是表征湍流强度、混合效果和对菌体剪切程度的一个综合指标；其调节步骤如下：,当选择大型罐的功率时，如把初步选定的功率视为定值，则：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,该式表明：Q/H 随着搅拌直径 D 的 8/3次方而变化，参照小型罐的 Q/H 值，选定大罐适当的 D 和 N，利用上式进行Q/H 核算，如果仍不够满意，允许再动D、N 和 P0，直到湍流强度、混合效果、菌体剪应极限值等都基本符合或接近原型试验或原生产指标为止。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,当然采用加强搅拌混合的办法时，还应考虑其他因素，例如罐高度或液面高度对罐直径之间的适当比例 HL/T、搅拌涡轮数目，一级搅拌涡轮之间的距离 S。这些因素对溶氧速率、混合效果和功率也都有直接或间接的影响。所以，在调整 Q/H 值时，必须结合这些因素一并考虑。,总起来说，对于非牛顿醪，搅拌直径要偏大些，搅拌涡轮间的距离要偏小些，搅拌涡轮只数也相应的偏多，而功率也就可能偏大。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,例题P71例4-3,解：,既然体系为溶氧速率控制，对剪应敏感，故以P0/V相等为放大罐的准则，同时把 QV/H及DN(叶轮尖端线速度)作为核算指标，以保证剪率增大不超过50，同时混合时间不过分增长。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,小罐的主要特征：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,，则,又因为,则,可写成,(为比例系数),生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,那么,线速度为：,按P0/V相等放大至30m3，几何相似，则：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,小罐：,大罐：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,因为按P0/V相等放大,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,因为几何相似，或在基本相似的条件下，两罐的比例系数应相等，即 K1=K2,这时:,比,下降约90(比较上面数字)。,这样混合时间有较大的延长。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,另外，(DN)1比(DN)2的增大超过了50，不符合设计要求。因此，应按P0/V相等的原则在放大的罐里，对 N2、D2加以适当的调整。为此，必须适量牺牲几何相似的原则。其调整如下：,为降低剪率，改善混合，需缩小涡轮转数而增大直径，以保持P0基本不变。,若将涡轮直径增大1.5倍，转数缩减50，那么，P0降低约5，这样的幅度在工程上可认为保持了 P0的稳定性，可以接受。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,当,又因为,所以,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,即,这样,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,经过如此调整后:,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,可以认为K1K2；于是，经过改进后的第三方案比第二方案 QV/H 提高约3倍，改善了混合，剪率提高1.26倍，低于允许的提高限度(1.5倍)的要求。,两种放大方案及原型罐的数据见教材 P72，表4-3。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,4.以单位体积培养液的空气流量进行放大方法,即：,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,5.以空气线速度相等,D:发酵罐直径;VL:发酵液体积；P:罐内液柱平均绝对压力;,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,小结：,由以上几种放大方法可见、发酵过程的比拟放大，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，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因素错综复杂，又对它们之间的互相制约和联系的情况所知不多。因此要进行成功的发酵放大，关键在于对其全部的生物化学反应过程应全面了解，并在正确实验的基础上，结合以往的经验才能顺利完成成,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,比拟放大程序中，虽然要考虑的因素很多，但经分析归纳，其有影响的主要变量只不过 D、N、P0 三种。为了全力找出放大计算中的关键，就应抓住主要变量这个环节。其他因素包括：拌涡轮数目、涡轮间距离、罐的其他尺寸以及空气的空罐流速，空气在醪中的阻留率等也应考虑。,生物工程专业课程,生化工程 第五章 发酵罐的比拟放大,作 业,反应器比拟放大的重要性？,反应器比拟放大准则选择的原则。,