《比拟放大》PPT课件.ppt

LOGO第七章第七章 比拟放大比拟放大生物反应器的比拟放大 任任何何一一个个生生物物工工程程产产品品的的研研究究开发周期必须经历开发周期必须经历3个阶段：个阶段： （1）实验室阶段）实验室阶段 （2）中试阶段）中试阶段 （3）工厂化规模）工厂化规模比拟放大比拟放大把小型设备中进行科学实验所获把小型设备中进行科学实验所获得的成果得的成果 在大生产设备中予以再在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大，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而是以相似论的方法进行放大为什么生化反应器的放大比较困难为什么生化反应器的放大比较困难? ?u物理条件发生改变物理条件发生改变放大的反应器中的物理环境与几何相似的小反应器中的物理放大的反应器中的物理环境与几何相似的小反应器中的物理环境会有所差异环境会有所差异放大规模的改变会导致生化反应器中放大规模的改变会导致生化反应器中物理环境物理环境的改变，这的改变，这种改变往往会影响到细胞的生长和代谢过程种改变往往会影响到细胞的生长和代谢过程当反应器放大过程中引起的物理化学环境变化对细胞造成损当反应器放大过程中引起的物理化学环境变化对细胞造成损伤或破坏，细胞对在伤或破坏，细胞对在不同放大规模下不同放大规模下不同培养环境的不同培养环境的代谢响代谢响应应会有所差异。

会有所差异比拟放大的依据：比拟放大的依据： 1 1、单位体积液体的搅拌消耗功率、单位体积液体的搅拌消耗功率 2 2、搅拌雷诺准数、搅拌雷诺准数 3 3、溶氧系数、溶氧系数 4 4、搅拌器叶尖线速度，、搅拌器叶尖线速度， 5 5、混合时间、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生物反应器的放大目的重点解决有关的质量传递、动量传递和热量传递问题，以便在重点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生物反应器的开发和设计过程生物发酵过程和生物反应器的开发和设计过程由生物发酵过程和生物反应器的开发和设计过程由3 3步构成：步构成：（1 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、）在较宽的培养条件（例如培养基的培养物质组分及其浓度、pHpH、溶氧溶氧速率速率 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；掌握细胞生长动力学及产物生成动力学等特性；（2 2）根据试验结果，确定该生物发酵的最优的培养基配方和培养条件；）根据试验结果，确定该生物发酵的最优的培养基配方和培养条件；（3 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，）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经验放大原则经验放大原则放大准则放大准则所占比例所占比例(%)(%)放大准则放大准则所占比例所占比例(%)(%)维持维持P P0 0/V/V不变不变3030维持搅拌器叶尖线速度不变维持搅拌器叶尖线速度不变2020维持维持k kL La a不变不变3030维持培养液溶氧浓度不变维持培养液溶氧浓度不变2020表表2 2 通气发酵罐放大准则通气发酵罐放大准则生物反应器的放大目的及方法发酵过程不是单纯的化工过程，而是一个复杂的生物化学过程发酵过程不是单纯的化工过程，而是一个复杂的生物化学过程目前在微生物发酵过程中受到控制的参数和因素，一般是菌种目前在微生物发酵过程中受到控制的参数和因素，一般是菌种接入的方式、种龄、种量、培养基成分及添加方式、接入的方式、种龄、种量、培养基成分及添加方式、pHpH值、操值、操作温度、罐压、溶氧速率、搅拌混合强度等等而实际影响此作温度、罐压、溶氧速率、搅拌混合强度等等而实际影响此生物过程的因素远不只此，有一些虽然已被认识了，但是目前生物过程的因素远不只此，有一些虽然已被认识了，但是目前还不能测量和控制，有些则是尚未被认识的。

现在只研究了少还不能测量和控制，有些则是尚未被认识的现在只研究了少数一些参数对此过程的关系，而假定其它因素是不变的，实际数一些参数对此过程的关系，而假定其它因素是不变的，实际上不可能是不变的因此，在这种基础上进行的比拟放大，工上不可能是不变的因此，在这种基础上进行的比拟放大，工程上的可靠性远较化工过程的比拟放大为差程上的可靠性远较化工过程的比拟放大为差 发酵罐比拟放大的基准视具体情况具体分析，要抓主要矛盾发酵罐比拟放大的基准视具体情况具体分析，要抓主要矛盾vv比拟放大不是简单的比例放大发酵设备的几何相似只不比拟放大不是简单的比例放大发酵设备的几何相似只不比拟放大不是简单的比例放大发酵设备的几何相似只不比拟放大不是简单的比例放大发酵设备的几何相似只不过是相似的基本条件之一，尤其重要的还要求流体的流态过是相似的基本条件之一，尤其重要的还要求流体的流态过是相似的基本条件之一，尤其重要的还要求流体的流态过是相似的基本条件之一，尤其重要的还要求流体的流态相似及传质、传热相似且与微生物的新陈代谢反应有关系相似及传质、传热相似且与微生物的新陈代谢反应有关系相似及传质、传热相似且与微生物的新陈代谢反应有关系。

相似及传质、传热相似且与微生物的新陈代谢反应有关系放大依据放大依据放大依据放大依据：vv(1)(1)(1)(1)氧传递速度相等；氧传递速度相等；氧传递速度相等；氧传递速度相等；vv(2)(2)(2)(2)比较搅拌桨叶顶端速度；比较搅拌桨叶顶端速度；比较搅拌桨叶顶端速度；比较搅拌桨叶顶端速度；vv(3)(3)(3)(3)在通气培养时，比较单位液量所需的搅拌功率；在通气培养时，比较单位液量所需的搅拌功率；在通气培养时，比较单位液量所需的搅拌功率；在通气培养时，比较单位液量所需的搅拌功率；vv(4)(4)(4)(4)混合时间相同；混合时间相同；混合时间相同；混合时间相同；vv(5)(5)(5)(5)雷诺准数相等；雷诺准数相等；雷诺准数相等；雷诺准数相等；vv(6)(6)(6)(6)通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致 前五项都是以化学工程学为基础的物理方法第六项是以控制环前五项都是以化学工程学为基础的物理方法第六项是以控制环前五项都是以化学工程学为基础的物理方法第六项是以控制环前五项都是以化学工程学为基础的物理方法。

第六项是以控制环境条件调节所培养的微生物的生理变化境条件调节所培养的微生物的生理变化境条件调节所培养的微生物的生理变化境条件调节所培养的微生物的生理变化( ( ( (细胞内代谢活性变化细胞内代谢活性变化细胞内代谢活性变化细胞内代谢活性变化) ) ) )，以达，以达，以达，以达到重复所需产物生成过程的方法到重复所需产物生成过程的方法到重复所需产物生成过程的方法到重复所需产物生成过程的方法 第一节第一节 比拟放大的基本方法比拟放大的基本方法第一节第一节 比拟放大的基本方法比拟放大的基本方法一、几何尺寸放大一、几何尺寸放大 一般是根据几何相似原则放大，罐尺寸、搅拌器及罐内各部位一般是根据几何相似原则放大，罐尺寸、搅拌器及罐内各部位一般是根据几何相似原则放大，罐尺寸、搅拌器及罐内各部位一般是根据几何相似原则放大，罐尺寸、搅拌器及罐内各部位置等，一般是根据几何相似原则放大的大设备的装料体积置等，一般是根据几何相似原则放大的大设备的装料体积置等，一般是根据几何相似原则放大的大设备的装料体积置等，一般是根据几何相似原则放大的大设备的装料体积V V2 2与小设备的装料体积与小设备的装料体积与小设备的装料体积与小设备的装料体积V V1 1之比，称为之比，称为之比，称为之比，称为体积放大倍数体积放大倍数体积放大倍数体积放大倍数。

在放大过程在放大过程在放大过程在放大过程中，一般采用大、小反应器直径之比中，一般采用大、小反应器直径之比中，一般采用大、小反应器直径之比中，一般采用大、小反应器直径之比D D2 2/D/D1 1，并定义为并定义为并定义为并定义为放大比放大比放大比放大比 在机械搅拌反应器中，若放大时几何相似，则放大比还可用在机械搅拌反应器中，若放大时几何相似，则放大比还可用在机械搅拌反应器中，若放大时几何相似，则放大比还可用在机械搅拌反应器中，若放大时几何相似，则放大比还可用搅搅搅搅拌器直径拌器直径拌器直径拌器直径之比之比之比之比D Di2i2/D/Di1i1来代替 大小反应器的装料体积之比称为体积放大倍数大小反应器的装料体积之比称为体积放大倍数大小反应器的装料体积之比称为体积放大倍数大小反应器的装料体积之比称为体积放大倍数V V2 2/V/V1 1 大小反应器的直径之比称为放大比大小反应器的直径之比称为放大比大小反应器的直径之比称为放大比大小反应器的直径之比称为放大比D D2 2/D/D1 1v通风量的大小不仅与氧传递速率有关，而且在通风搅拌式通风量的大小不仅与氧传递速率有关，而且在通风搅拌式生化反应器中，通气速率的大小还决定了反应器中醪液搅生化反应器中，通气速率的大小还决定了反应器中醪液搅拌的强度。

拌的强度与通风量有关的基本参数有下列一些：与通风量有关的基本参数有下列一些：v(1)单位容积液体的通气量，即通风比单位容积液体的通气量，即通风比Q/V；v(2)通风准数通风准数Na=Q/nD3i；v(3)反应器空截面的反应器空截面的空气线速度空气线速度Vs；v(4)体积溶氧系数体积溶氧系数KLa值 二、通风量放大二、通风量放大二、通风量放大二、通风量放大1 1、按单位体积液体通风量相等放大、按单位体积液体通风量相等放大、按单位体积液体通风量相等放大、按单位体积液体通风量相等放大 若若若若Q/VQ/V相等，则相等，则相等，则相等，则 大小反应器中空气中大小反应器中空气中大小反应器中空气中大小反应器中空气中氧的利用率相同氧的利用率相同氧的利用率相同氧的利用率相同，可按，可按，可按，可按Q/VQ/V值值值值( (通风比通风比通风比通风比) )相等相等相等相等的原则进行放大的原则进行放大的原则进行放大的原则进行放大 然而，由于大型反应器液柱高，空气在液体中所走的路程和然而，由于大型反应器液柱高，空气在液体中所走的路程和然而，由于大型反应器液柱高，空气在液体中所走的路程和然而，由于大型反应器液柱高，空气在液体中所走的路程和气液接触时间均长于小型反应器，因此气液接触时间均长于小型反应器，因此气液接触时间均长于小型反应器，因此气液接触时间均长于小型反应器，因此大型反应器有较高的大型反应器有较高的大型反应器有较高的大型反应器有较高的空气利用率空气利用率空气利用率空气利用率，在放大时大型反应器的，在放大时大型反应器的，在放大时大型反应器的，在放大时大型反应器的Q/VQ/V值应小于小型设备值应小于小型设备值应小于小型设备值应小于小型设备的的的的Q/VQ/V值。

值 2 2、按通风空截面空气线速度、按通风空截面空气线速度、按通风空截面空气线速度、按通风空截面空气线速度VsVs相等放大相等放大相等放大相等放大 反。