课件下载_百万课件网

生化工程4 发酵罐的比拟放大

声明:本课件在电脑上可正常浏览,在手机或平板电脑上只能浏览到简介。

生化工程4 发酵罐的比拟放大的内容简介:

第四章发酵罐的比拟放大
生物反应器的放大是指在反应器的设计与操作上,将小型反应器的最优反应结果转移至工业规模反应器中重现的过程。 放大过程: 小试,中试,大生产。 生物反应器的设计;工艺条件与参数优化 放大的原理:相似原理
理想反应器放大应达到的相似条件:
(1)几何相似;
(2)流体力学相似;
(3)热相似;
(4)质量(浓度)相似;
(5)生物化学相似。
放大方法:经验放大法,因次分析法,时间常数法,数学模拟法,计算流体力学等 放大原则:重点解决主要矛盾 气体传递、混合;剪切敏感性;热传递等。 放大所需解决的主要参数:罐体参数、空气流量、搅拌转速和搅拌功率消耗等 经验放大法: 几何相似放大 恒定等体积功率放大 单位培养液体积的空气流量相同原则放大 空气线速度相同原则放大 KLa/Kd值相同原则放大 其他放大方法: 因次分析法:保持无因次准数相等原则放大 Re,Nu,Da,Pez 时间常数法:某一变量与其变化速率之比 反应时间tr=C/rr反应速率 扩散时间tD=L2/Dz 混合时间tm=Tm/n 数学模拟法:
计算流体力学法 放大基准:
1、反应器的几何特征
2、kLa(或kd)
3、最大剪切力(搅拌叶端线速度)
4、单位液体体积功率输入(P0/V)
5、单位反应器有效体积的通气速率(VVM)
6、通气表观线速度;ND
7、混合时间tmHL1/2D3/2/(N2/3d11/6)
8、Q/Hd/N液流循环量/液流速度压头

一、几何尺寸放大
几何相似原则:H1/D1=H2/D2=A 放大倍数m=V2/V1

二、空气流量放大
空气流量表示方法:
(1)单位体积培养液在单位时间内通入的空气量(以标准状态计),即 Q0/VL=VVMm3/(m3.min) 操作状态下的空气流量Qgm3/min
1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
2、以空气直线速度相同的原则放大
3、以kLa值相同的原则放大 根据文献报导,kLa(Qg/VL)HL2/3,其中Qg为操作状态下的通气流量,VL为发酵液体积,HL为液柱高度。
4、以氧分压为推动力的体积溶氧系数kd相等原则放大
(2)福田修雄修正式 kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56g0.7N0.7*10-9 m:搅拌涡轮的个数 kd(Pg/V)0.56g0.7N0.7(1) (2)依据Michel修正式
例题4.1 枯草芽孢杆菌在100L罐中进行α-淀粉酶生产试验,获得良好成绩。放大至20m3罐。此发酵醪接近牛顿型流体,其中悬浮固体与悬浮液总容积之比。 四块垂直挡板,B/D=0.1 装液60L,通气流率 1.0VVM(罐内状态下的体积流率) 搅拌涡轮为两只园盘六弯叶涡轮,N=350r/min 通过试验,认为此菌株是高耗氧速率菌,体系对剪率较不敏感。试按等kd值进行比拟放大,并总结放大结果。 解题思路: 计算试验罐的亚硫酸盐氧化法kd值 2.按几何相似原则确定20m3罐主尺寸 3.确定通气量 4.按kd相等准则确定大罐的搅拌器转速及搅拌功率

三、搅拌功率及搅拌转速的放大
1、以单位体积培养液所消耗的功率相等原则放大
2、以单位体积培养液所消耗的通气功率相同原则放大
例题4.2 有一个5m3生物反应器,罐径为1.4m,装液量为4m3,液深为2.7m,采用六弯叶涡轮搅拌器,叶径为0.45m,搅拌转速N=190r/min,通风比为1:0.2,发酵液密度为1040kg/m3,发酵液黏度为1.06*10-3Pa.s,现需放大至50m3,试求大罐尺寸和主要工艺条件。(提示:放大原则:几何相似原则,kLa值相等原则,单位体积液体消耗功率相等原则) 解: (1)根据几何相似原则确定大罐的尺寸: (2)根据kLa值相等原则确定大罐的空气流量: (3)根据单位体积液体消耗功率相等原则确定大罐的搅拌转速与功率: 解:(1)小罐工艺参数: 属湍流, 六弯叶涡轮搅拌器,Np=4.7 两挡搅拌消耗的功率: 通风量为Qg1=0.2*4=0.8m3/min 空气线速度 Pg计算: 方案一(Michel修正式): 方案二: 通风准数Na=Qg1/(N1d13) (2)大罐几何尺寸与工艺参数 1)主要几何尺寸 依据几何相似原则:D23/D13=50/5 D2=3.0mH2=7.0m d2=3*0.45/1.4=0.96m 2)发酵液体积VL2=50*4/5=40m3 发酵液高度 3)采用kLa值相等的原则放大 空气线速度 4)按单位体积液体消耗功率相等原则放大 方案一(Michel修正式): 方案二:通风准数Na=Qg2/(N2d23)=4.88/(115*0.963)

四、混合时间(tM)
混合时间: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。 FOX用因次分析法,当Re>105,得出以下关系式 Ft=tM(Nd2)2/3·g1/6d1/2/(HL1/2D3/2)=常数 发酵罐放大,混合时间延长, 体积放大125倍,混合时间增大2.67倍。

五、周线速度
在P0/V相等的条件下,d/D比越小,搅拌叶轮尖端线速度(πdN)越大,剪切率也越大,混合时间tM急剧延长。 问题:过小的d/D比值,导致混合时间tM急剧延长,丝状菌受剪切率影响明显。

六、搅拌液流速度压头(H)、搅拌液流循环量(Q)以及Q/H比值对比拟放大的意义
搅拌液流速度压头(H)正比于涡轮周线速度的平方: H越大,液体的湍动程度越高,剪率越大,有利于菌丝团及气泡的分散,有利于传质。 搅拌液流循环量Q正比于涡轮的旋转面积及周线速度: Q越大,液体的循环越快,有利于混合和缩短混合时间。 增大N对提高溶氧更为有效,增大d对缩短混合时间更为有效。
例题4.3 小型霉菌发酵试验罐。实验证明本体系为溶氧速率控制,对剪率敏感。 装液量0.291m3 罐直径D=0.57m,HL=1.14m 涡轮直径d=0.228m,转速377r/min 两只搅拌涡轮 剪率增加超过50%是危险的 要求将试验罐放大100倍 [解]既然体系为溶氧速率控制,对剪率敏感。 故以P0/V相等为放大准则,同时把Qv/H及dN作为比较指标,保证剪率增大不超过50%,同时混合时间不过分增长。 按P0/V相等放大至30m3,几何相似, 几何相似,或基本相似条件下,两比例系数相等,k1=k2。 (Qv/H)2比(Qv/H)1下降约87%,混合时间有较大延长(tm2/tm1=(D2/D1)11/18=2.56)。另外,(dN)2比(πdN)1的增大超过50%,不符合要求。应在按P0/V相等原则放大罐时,考虑对d2和N2加以适当调整,为此必需牺牲几何相似原则。 调整如下: 为降低剪率、改善混合效果,需缩小涡轮转数,增大直径,但保持P0/V基本不变。 若将涡轮直径增大1.5倍,转数缩减50%,那么P0/V将降低约5%((N33d35/V3)/(N23d25/V2)=95%) 混合时间延长1.93倍 剪率提高1.26倍,低于允许的提高限度1.5倍。 计算的放大结果列于下表:

课件下载:下载地址 页数:150页 [ 收藏 推荐 ]
课件大小:0.04 MB 上传时间:2013-02-26 16:27:59 下载次数: 所需金币:0个