第三章微生物大规模培养设备——生物反应器.

1、第章生物反应器生物反应器是生化工艺过程的心脏，它是整个生产过程唯一的一个把原料转化成产物的地方，因此生物反应器的设计是整体设计中最为重要的环节一个优良的生物反应器应具有良好的传质和传热性能培养液流动与混合良好结构简单严密，防杂菌污染，检修维护方便具有配套而又可靠的检测及控制仪表-以提供合适的环境条件，确保生物反应的顺利进行-判断生物反应进行的情况第章生物反应器与发酵参数检测元件本章重点生物反应器的结构搅拌功率的计算及功率、转速、浆径之间的关系通气及搅拌过程中的氧的质量传递生物反应器的放大第章生物反应器第1节 生物反应器的结构第2节 通用式机械搅拌反应器结构第3节 生物反应器搅拌功率的计算第4节

2、 通气及搅拌过程中的氧的质量传递第5节 生物反应器的放大设计第1节微生物反应器发酵罐发酵： 厌氧发酵好氧发酵设备机械搅拌通气空气搅拌好氧发酵通用式发酵罐自吸式发酵罐强制循环发酵喷射式发酵罐循环式发酵罐机械搅拌型发酵罐(a)通用式(b) 强制循环(c)自吸式G气体；M电动机气升式发酵罐(a)一般气升式发酵罐(c)多层空气分布板(b)气液双喷射气升环流发酵罐G空气F发酵液气升内环流式发酵罐气升内环流式发酵罐G空气F发酵液通用式发酵罐皮带轮传动夹套传热减速机传动夹套传热通用式发酵罐上伸轴盘管传热下伸轴盘管传热自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐是一种不需压缩空气，利用改进搅拌器结构，在搅拌过程中自行吸入

3、空气的发酵罐。自吸式发酵罐为了保证发酵罐有足够的吸气量，搅拌器的转速应比一般通用式的为高。功率消耗量应维持在3.5kw/m3左右。虽然自吸式发酵罐消耗搅拌的功率较大，但因不需压缩空气，因此总的动力消耗还是较为经济的，一般只为通用式发酵罐的搅拌功率与压缩空气动力消耗之和的2/3左右。自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐最关键部件是带有中央吸气口的搅拌自吸式发酵罐由于搅拌装置的转子产生的负压不是很大，因此自吸式发酵罐的罐压不能维持太高，一般在200500mm水柱搅拌器上方的液柱压力不能过高，一般取HL/D=1.6左右，罐体积不宜太大为了减少吸气阻力，应选用过滤面积大、压力降小的空气过滤器。2. 微生物

4、反应器设计要求生物因素要有很好的生物相容性，能很好的模拟它们的生长环境传质因素传质性能好，满足氧的传递、营养物质的传递、代谢产物的传递传热因素有能力去除和加入反应过程的热量，无过热点2.微生物反应器设计要求安全因素防污染性能好，结构严密，罐内机械尽可能少，易清洗和消毒操作因素能量消耗少，便于操作和维修第2节通用式机械搅拌反应器结构与发展趋势机械搅拌式反应器由于其有操作方便，适用性广，使用经验丰富等优点，使其长用不衰随着搅拌型式的不断改进，大功率减速装置的开发成功，使这种传统生物反应器的广泛应用展现了新的前景第2节通用式机械搅拌反应器结构与发展趋势1、通用式机械搅拌反应器的结构2、通用式机械搅拌

5、反应器发展趋势1. 通用式机械搅拌反应器的结构外形和几何尺寸 公称容积：V0=筒体容积+底封头容积=Vc+Vb22D4hb +V 0 =hb +0.13D3H +V 0 = D24 D24 1. 通用式机械搅拌反应器的结构；H：发酵罐筒身高，mD：发酵罐内径，md： 搅拌器直径，mW：挡板宽度，mHL：液位高度，mS： 两搅拌器间距，mS1：上层搅拌器与液面间距，mB： 下搅拌器距底间距，m通用式生物反应罐的几何尺寸比例通用式生物反应罐的几何尺寸比例1. 通用式机械搅拌反应器的结构=1.7 3HD131121218=dDWD= 0.8 1.0Bd=1.5 2.5=1 2SdS1d；结构比例尺寸

6、VLV 0 =1. 通用式机械搅拌反应器的结构全容积：V=筒体容积+底封头容积+上封头容积 =VC+2Vb4装料系数：1. 通用式机械搅拌反应器的结构生物反应器内部构件及功能罐体传动搅拌装置挡板通气装置传热装置机械消泡装置轴封罐体轴出料口底轴承机械消泡装置夹套挡板通气装置轴封轴挡板搅拌桨通气装置联轴器罐体内蛇管外盘管中间轴承出料口大型发酵罐搅拌装置搅拌装置搅拌的作用1、产生强大的总体流动，将流体均匀分布于容器各处，以达到宏观均匀2、产生强烈的湍动，使液体、气体、固体微团尺寸减小二种作用将有利于混合传热和传质，特别对氧的溶解更具有重要意义搅拌流型径向流型轴向流型径向流桨整体宏观流动场轴向流桨整体

7、宏观流动场生物反应器常用搅拌器的型式旋桨式涡轮式气液混合过程的需求气体分散-气泡分散-传混传质-合-热-剪切循环剪切循环循环适用气液过程的搅拌器径向流搅拌器：Rushton涡轮半圆管圆盘涡轮CD-6弧叶圆盘涡轮BT-6轴向流搅拌器：四宽叶螺旋式叶轮机翼螺旋式叶轮四斜叶开启涡轮通用式机械搅拌微生物反应器的搅拌桨如何组合选用？径向流-涡轮式搅拌器在涡轮搅拌器中液体出口的绝对速度很大，桨叶外缘附近造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力气体的分散首先是在桨叶背面形成较为稳定的气穴，气穴在尾部破裂，形成富含小气泡的分散区，并随液体的流动分散至罐内其它区域径向流-涡轮式搅拌器为了避免气体沿轴上升，在搅拌器中央设

8、有圆盘。常用的带圆盘搅拌器，按叶片形式可分为平叶式、弯叶式、箭叶式，斜叶式和半圆管式，叶片数量一般为六个，少至三个，多至八个径向流-涡轮式搅拌器通用式微生物反应器的搅拌为了更好的溶解氧，气体分散是属于小尺度的混和，因此广泛采用涡轮式搅拌器径向流-涡轮式搅拌装置(b) 六弯叶涡轮(c) 六箭叶涡轮(a) 六平叶涡轮Rushton D-6径向流-涡轮式搅拌装置半圆叶圆盘涡轮Cheminee CD-6圆弧叶圆盘涡轮Cheminee BT-6径向流-涡轮式搅拌器在涡轮搅拌器中液体出口的绝对速度很大，桨叶外缘附近造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力，可将通入的气体分散得更细，并可提高溶氧传质系数径向流-涡轮

9、式搅拌装置(b) 六弯叶涡轮(c) 六箭叶涡轮(a) 六平叶涡轮Rushton D-6气液分散原理气穴理论1975年，Vant Riet, Smith, Nienow等发现，六直叶涡轮桨叶的背面都有一对高速转动的漩涡，漩涡内负压较大，从叶片下部供给的气体立即被卷入漩涡，形成气体充填的空穴，称为气穴六平叶涡轮式搅拌装置叶片后气体漩涡形成气穴气穴理论气穴理论认为：气体不是直接被搅拌器剪碎而得到分散的。气体的分散首先是在桨叶背面形成较为稳定的气穴，气穴在尾部破裂，形成富含小气泡的分散区，这些气泡在离心力的作用下被率出，并随液体的流动分散至罐内其它区域气穴理论气速过大或搅拌转速过低时，大气穴合并，整个

10、搅拌器被气穴包裹，气体穿过搅拌器直接上升到液面，从而发生气泛气体分散状态气泛载气完全分散轴向流-旋桨式搅拌器旋桨式搅拌器使液体作轴向和切向运动，液体离开旋桨后作螺旋线运动，轴向分速度使液体沿轴向下流动，流至罐底再沿壁折回，返入旋桨入口，形成循环总体流动轴向流-旋桨式搅拌器旋桨式搅拌器的循环量大，尤其适用于要求容器上下均匀的场合用于发酵罐的四宽叶旋桨式搅拌器具有循环能力较大，宽叶之下可存些气体，使气体分散平稳轴向流-旋桨式搅拌器四斜叶开启涡轮四宽叶螺旋式叶轮 机翼螺旋式叶轮Lightnin A-315 Lightnin A-310Chemineer MW-4 Chemineer HE-3轴向流-

11、旋桨式搅拌器扇形圆弧叶轮推进式叶轮如何组合选用？发酵罐流动场模拟预测轴封装置搅拌轴一般从罐顶伸入罐内，但对于大容积的大型发酵罐，也可采用下伸轴。下伸轴式装置使发酵罐重心降低，轴的长度缩短，稳定性提高，发酵罐操作面传动噪音也可大为减弱，而且罐顶空间可充分用来安装高效的机械消沫器及其他自控部件轴封装置采用下伸轴时，对轴封的要求更为严格，般上伸轴可用机械单端面轴封，而下伸轴要采取双端面轴封，并用无菌空气进行防漏和冷却。因此下伸轴的使用，对发酵罐的严密性设计要求更高，也对日常检修增加了些难度轴封装置对用于基因工程菌发酵的发酵罐，要求采用双端面轴封，并要求作为润滑剂的无菌水压力应高于罐内压力轴封装置轴封

12、装置轴封装置流动作用方式不仅对机械密封起到密封和润滑的作用，而且能带走搅拌产生的热量而起到冷却的作用，有利于延长搅拌器的寿命静止作用方式仅对机械密封起到密封和润滑的作用，而不能带走搅拌产生的热量档板挡板的作用是改变被搅拌液体的流动方向，使之产生纵向运动，从而消除液面中央部分产生的下凹旋涡档板搅拌罐内加置挡板以达到全挡板条件为宜所谓“全挡板条件”是指罐内加了挡板使漩涡基本消失，或者说是指达到消除液面旋涡的最低挡板条件搅拌流型通用式发酵罐搅拌流型全挡板条件下搅拌流型六直叶涡轮4 . 0 = b m档板满足全挡板条件的挡板数及宽度W 挡板宽度，mD 罐直径，mmb 挡板块数一般发酵罐中安装4块挡板，

13、挡板宽度为（1/81/12）D，已足够满足全挡板条件DW进气装置单管多孔环管进气装置进气装置大直径发酵罐的分布器1进气管；2环管；3支管；4挡圈；5挡盘；6支架传热装置夹套内蛇管外盘管传热计算传热计算Q发酵热= Q生物热+ Q搅拌热- Q空气带走- Q辐射热QF= Q发酵热VL冷却或加热水量QFCP tW =发酵热的测定发酵热测定发酵热Q发酵Q发酵：发酵热，kJ(m3hr)W：冷却水流量，kghrC：冷却水比热，kJ(kg)t1, t2：冷却水进出口温度VL：发酵液体积，m3WC(t2 t1)VL=Q发酵传热系数测定传热系数K值F：发酵罐的传热面积，m2tm：发酵液与冷却水间的平均温度差，KK

14、 =Q发酵 VLF tm机械消泡装置发酵液中含有大量的蛋白质等发泡物质，在强烈的通气和搅拌下会产生大量的泡沫，将导致发酵液外溢和增加染菌机会，进而导致装料系数降低消除发酵液泡沫比较适用有效的方法是加入消沫剂，也可采用机械装置来破碎泡沫机械消泡装置耙式消泡桨机械消泡装置蛇形栅条消泡桨机械消泡装置机械消泡装置2. 通用式机械搅拌反应器发展趋势容积：扩大至100-350m3材质：有碳钢改为不锈钢（304，316L）传热：有单一的罐内蛇管传热改为罐内直管和罐壁半圆管相组合减速：将皮带减速改用机械式减速搅拌：从单一径向涡轮式搅拌改为径、轴双向流式搅拌通用式机械搅拌反应器材质304不锈钢 321不锈钢 3

15、16不锈钢 316L不锈钢0Cr18Ni90Cr18Ni10Ti0Cr17Ni12Mo200Cr17Ni14Mo2第3节 搅拌功率的计算及功率转速及浆径之间的关系1、搅拌功率的计算2、不通气情况下牛顿型流体单层搅拌功率计算3、不通气情况下牛顿型流体多层搅拌功率计算4、通气情况下的搅拌功率计算5、非牛顿型流体搅拌功率的计算6、搅拌功率P、搅拌器直径d及转速n之间的关系1. 搅拌功率的计算搅拌器的轴功率P（w或kw）与下列因素有关：搅拌桨直径搅拌转速液体密度液体粘度重力加速度d（m）n（1/S）（kgs2/m4）（kgs/m2）g（m/s2）搅拌器形式 挡板有无罐径D（m）液柱高度 HL（m）nd

16、 = K n d Rem = NP = 3 Frm = 1. 搅拌功率的计算搅拌雷诺准数功率准数弗鲁特准数yx2 g 2 Pn3 d 5 nd 2 Pn d 5 n2 d g NP = K(Rem) (Frm)1. 搅拌功率的计算在全挡板条件下Y=0yxx10104滞流区湍流区1. 搅拌功率的计算NpRe过度区NP = K(Rem)nd NP = 3n d P = Kn d1. 搅拌功率的计算Rem104，X=0， 为湍流状态5P3 5NP = K1. 搅拌功率的计算在10Rem104过渡流查 Np-Rem 图得 Np3 52.不通气情况下牛顿型流体单层搅拌功率计算搅拌功率计算的修正表中K值均

17、为情况下测定的，若与实际情况不符即:时应校正W/D =1/10HL /d = 3D/d = 3D/d 3 HL /d 3( ) (2.不通气情况下牛顿型流体单层搅拌功率计算装置的几何条件及液层高度的影响*)13DdHLdf = = m2.不通气情况下牛顿型流体单层搅拌功率计算桨叶数量的影响（1）当叶片数为m2 m 60.8 6 = m2.不通气情况下牛顿型流体单层搅拌功率计算（2）当叶片数为m6 m0.035Pg =(0.621.85Na)P=(0.621.850.136)194.06 = 71.49(kw)Pg = 0.157 P 2 nd 3 V 0.56 194.06 1301.05=

18、0.157 例题(2) Michel 法0.453220.510.560.45=80.22(kw) g = 192d n Qg 3 = 192 1.05 1.05 2.1671050 1.052.167 例题(3) 准数方程式9.810.1log0.66420.11524.3820.1154.38= 1920.00873.2060.6330.136 = 0.461(0.136) 3.1 nd dn g d D1.96(d /D)PgP2 例题(3) 准数方程式logPgPPg = 0.346194.06 = 67.15(kW)= 0.461例题(4) 经验法电机功率= Pg/实际选用电机功率为

19、90(kW)=(0.3194.060.5194.06)= 58.22(kw)97.03(kw)Pg =(0.30.5)P5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算牛顿型流体：剪切应力和速度梯度间的关系不随受剪切的时间而变化的流体非牛顿型流体：剪切应力和速度梯度间的关系是随受剪切的时间而变化的流体（触变性流体） = K5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算K：稠度指数n：流变指数：剪切应力（kg/m2）dw/dr：速度梯度（1/s）ndw dr 5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算1.牛顿流休2.宾汉型流体3.拟塑性流体4.涨塑性流体5.卡松型流体牛顿流体及一些非牛顿流体剪切应力与剪切率的关系5. 非牛顿型流体搅拌

20、功率的计算牛顿型流体: = K(dw/dr)= K（n=0） = K(dw/dr) = K5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算拟塑性流体:（0n1）nn5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算宾汉型流体: =0 +0：屈服应力：塑性粘度5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算卡松型流体: = 0 +kC Kc：卡松型流体稠度指数5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算发酵液中含有培养基、菌体及代谢产物通常：细菌、酵母发酵培养液多为牛顿型流体丝状、球状的放线菌、霉菌以及生成多糖类的细菌发酵培养液，则往往表现出很显著的非牛顿特性大多数抗生素发酵培养液多为拟塑性流体（四环素、红霉素、卡那霉素、链霉素都属于拟塑性流体）5. 非牛

21、顿型流体搅拌功率的计算发酵培养液的流变特性与发酵过程中的传质、传热、动量传递有很大的关系是很重要的物性常数5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算粘度测定：（旋转式粘度计）牛顿型流体(dw)/(dr) =5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算非牛顿型流体a：为表观粘度(dw)/(dr)a =Rea = 5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算根据求得的a来计算 Re根据求得的 Rea与 Np 绘图nd 2 a 5. 非牛顿型流体搅拌功率的计算NpRe非牛顿型牛顿型103001045. 非牛顿型流体搅拌功率的计算根据米兹尼（meyzner）对非牛顿型流体和牛顿型流体的搅拌研究发现非牛顿型流体NpRe曲线，除Re在10

22、300区域外，与牛顿型流体NpRe曲线基本重合6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n之间的关系功率：施与某物体力，使之运动，即对它做了功P = FWF：搅拌器施加于液体上的力（kg）W：将这块液体推开速度（m/s）6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n之间的关系P = （F/A）（WA）F/A：单位面积上施于液体上的剪切应力，即静压强（kg/m2）WA：单位时间搅拌器推开液体的体积，即翻动量（m3/s）A：搅拌器的截面积（m3） = d n K P6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n之间的关系搅拌功率基本方程：P = （F/A）（WA）3 5w w n d H 6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n

23、之间的关系=FAFA2 2 222g32Q ndA d6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n之间的关系Q = wAw nd2 2 3 3 5H n d有利于气体的分散有利于物料的混合6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n之间的关系P H Q223Q nd6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n之间的关系P为常数，转速n、直径d、翻动量Q及动压头之间的关系(1) dnQH翻动量Q增加，搅拌桨直径d增加，有利于相与相之间的混合6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n之间的关系(2) dnQH动压头H增加，搅拌转速n增加,有利于气泡的粉碎提高溶氧传质系数6.搅拌功率P、搅拌器直径d转速n之间的关系生物反应器的最

24、适d/D值随生产菌种、培养液的性质和通气程度而变，但是越是粘厚的培养液，越是好气的菌种，愈应配备较大直径的搅拌器，同时应保证较高的转速，即大功率生物反应器6.搅拌功率P、搅拌器直径d、转速n之间的关系采取高功率消耗，低通气量的方法来加强搅拌过程中的剪切力和翻动量，以提高氧的传递速度和增加液-固相混合程度，但不能盲目的采用大功率电机，因为增加转速及搅拌桨直径，要视菌种的特性及料液的性质，剪切力过大，菌丝易打碎生物反应器搅拌功率的确定变速搅拌变速搅拌更能适应发酵过程中不同生长期对搅拌转速的不同要求，这样不仅可节约搅拌所消耗的电能，并使一个发酵罐能适用于多种产品的生产。同时在培养基采用实罐灭菌工艺时

25、，采用低转速搅拌，可避免电机因无通气下，搅拌电流超标，导致电机烧掉例题有一生物反应器，经试验证明翻动情况不良，需要改进，翻动量Q增加30%，H不变，经过改进后求：（1）转速n有何变化？（2）搅拌桨直径d有何变化？（3）功率P有何变化？例题解：设原有Q1=1，H1=1Q1n1d131Q2n2d231.3H1n12d121H2n22d221n2 = 2 )例题P2 H2Q21.3搅拌功率增加30%，搅拌直径放大14%，搅拌转速降低12.3%14= 0.877 1 1.3 12 4=1.14d2 =(1.3第4节通气及搅拌过程中氧的质量传递传质研究的中心问题是：通气设备中溶氧速率和设备结构参数（D、

26、d、HL）、操作变量（Vg、n）及流体性质（、扩散系数D、表面张力）之间关系，并建立它们之间的关系式以作为合理设计生物反应器的理论基础，同时把 容积传质系数与KLa的大小作为评介通气生物反应器的一个重要指标第4节通气及搅拌过程中氧的质量传递1、细胞对氧的需求2、通气及搅拌过程中的氧传递3、气液接触中的传质系数4、影响气液相氧传递速率的因素1、细胞对氧的需求氧是构成细胞本身及代谢产物的组分之一，虽然培养基中大量存在的水可以提供氧元素，但是除少数厌气微生物如乳酸菌等，在无氧情况下通过酵解获得能量外，许多细胞必须利用分子状态的氧才能生长。1、细胞对氧的需求细胞利用氧的速率常用比耗氧速率或呼吸强度表示

27、，其定义是单位质量的细胞(干重)在单位时间内所消耗氧的量；或用摄氧率r表示，即单位体积培养液在单位时间内消耗的氧1、细胞对氧的需求呼吸强度与摄氧率的关系Qo2：呼吸强度（mol/kg干细胞h）X：细胞浓度（kg干细胞 / m3） =QO2 X1、细胞对氧的需求细胞的呼吸强度与培养液中的溶解氧浓度有关，当培养液中的溶解氧浓度低于某临界浓度时，细胞的呼吸强度就会大大下降；在培养过程中并没有必要使溶解氧浓度维持在接近平衡浓度，只要溶解氧浓度高于临界值，细胞的呼吸就不会受到抑制。2、通气及搅拌过程中的氧传递氧从气泡到细胞的传递过程示意图从气相主体到气液界面的气膜传递阻力1/kG气液界面的传递阻力1/k

28、Gi从气液界面通过液膜的传递阻力1/kL液相主体的传递阻力l/kLb细胞或细胞团表面的液膜阻力1/km细胞液相界面的传递阻力1/kmi细胞团内的传递阻力1/kC细胞壁的阻力1/kCi反应阻力1/kR2、通气及搅拌过程中的氧传递( ) L L C C a K OTR =(1) 气一液相间的氧传递单位体积培养液中氧的传递速率(OTR)（mol/hrm3）：单位体积液体中，气泡的总表面积(m2/m3)KL：容量传质系数(容积传质系数)1/hrC*： 气泡中氧分子的浓度(mol/m3)CL：氧分子在液体主流中的浓度(mol/m3)*(2) 液-固相间的氧传递通过细胞或细胞团外液膜的氧传递速率（mol/

29、hrm3）Km：细胞或细胞团外液膜的传递系数(m/h)am：单位体积培养液中细胞的表面积(m2/m3)CLi：细胞或细胞团表面氧浓度(mol/m3)OTR= Kmam(CL CLi)2、通气及搅拌过程中的氧传递1/KG：通过气膜阻力（hr/m）1/KGi：通过气-液界面阻力（hr/m）1/KL：通过气泡周围液膜阻力（hr/m）1/KLb：进入液体主流阻力（hr/m）1kLb1kL1kGi1kG+1+KL =2、通气及搅拌过程中的氧传递因为氧是难溶于水，在扩散过程中属于液膜控制KL kL2、通气及搅拌过程中的氧传递需氧 - 摄氧率Qo2：呼吸强度（mol/kg干细胞h）X：细胞浓度（kg干细胞

30、/ m3） =QO2 X0 =( ) X Q C C a K OTR O L L = = = 2、通气及搅拌过程中的氧传递影响供氧速率的因素当: 供氧 = 需氧CL= 常数ddCL22、通气及搅拌过程中的氧传递供氧=需氧供氧需氧供氧需氧最佳操作条件有时有抑制作用，并且浪费对菌生长、产物代谢不利KLa =1.86(2+2.8m) 3.通气搅拌状况下 KLa的关联式(m为搅拌器层数)0.70.70.56nWg Pg VL n Wg d g3.通气搅拌状况下 KLa的关联式牛顿型流体0.50.281.51 2.20.60.40.19aKLa = 0.364dKLa = 0.364d n Wg 1+2

31、( n) d g 0.63.通气搅拌状况下 KLa的关联式非牛顿型流体0.50.281.51 2.20.5 0.670.40.19a(KLa)A dA (KLa)B dB WgAW 3.通气搅拌状况下 KLa的关联式用此方程来判断不同的二个生物反应器的传质系数的大小,以及从一个理想的模型罐出发,利用 KL相同原则来进行放大0.282.21.51= gB nAnB 4.影响气液相氧传递速率的因素影响传质推动力的因素提高液相氧的平衡浓度增加氧分压提高反应器中的压力增加空气中氧的相对含量4.影响气液相氧传递速率的因素影响气液比表面积 a 的因素增加单位体积通气情况下的搅拌功率增加通气量4.影响气液相

32、氧传递速率的因素影响体积传质系数 KLa 的因素操作条件：搅拌转速n 、搅拌功率Pg 、通气速度Vg设备结构：D、d、HL流体性质：、扩散系数D、表面张力其他因素的影响 ：表面活性剂 、盐浓度问题如何提高生物反应器的供氧能力？提高生物反应器的供氧能力提高KLa改变搅拌器的型式及n、d增加空气流量提高传质推动力 （C*-CL）增加氧分压改造培养基性质提高生物反应器的供氧能力改变搅拌器的型式及n、d气体分散值增加增加Re使气泡周围液膜层减薄，阻力1/kL 减少使液体形成湍流，延长气泡停留时间提高生物反应器的供氧能力增加空气量提高气速Wg使KLa提高，因为适当提高空气流量会造成单位容积培养基中气泡数

33、的增加，但是气速增加太大，造成叶轮（空载）气体分散的效率降低，气泡变大使KLa下降提高生物反应器的供氧能力增加氧分压纯水中氧的浓度C = 468(31.6+t) (mgmol/L)对非纯水发酵培养液C=(0.6-0.8)CC=(1+罐压)C第5节 生物反应器的放大大型生物反应器设计是否能成功的关键是设计参数的来源及其正确性。传统的放大设计，根据小试、中试的表观实验数据，即状态参数（pH、溶氧、温度、压力）、操作参数（通气量、搅拌转速）、结构参数（罐径、装液高度、搅拌桨径、桨形），通过因次分析法、经验法则法、数学模拟法、时间常数法进行放大第5节 生物反应器的放大由于目前人们还不能完全掌握生物代谢

34、过程本身的机理及与工程过程参数的关系，一般都以工程角度为主来考虑，忽视了细胞代谢流参数，使得生物反应器的放大设计受到了一定的制约第5节 生物反应器的放大代谢流参数分析需根据不同对象通过实验而获得本节所述的放大仅指常用的发酵罐从中试的模型罐与生产罐之间以几何相似为前提的放大,从工程角度上解决放大后生产罐的空气流量、搅拌转速和功率消耗等三个问题第5节 生物反应器的放大生物反应器的放大就是要研究怎样将小型试验罐放大为大型生产用罐,并达到最佳生产效果生物反应器放大要解决的以下四个问题罐体结构尺寸空气流量搅拌转速搅拌功率第5节 生物反应器的放大放大基本原理：罐的几何尺寸相似放大生产用罐的特征参数与试验罐

35、相同特征参数：KLaP/VLVg/VLPg/VLWg第5节 生物反应器的放大1、几何尺寸放大2、空气流量放大3、搅拌功率放大及搅拌转速放大= m= H2 = H1 m1.几何尺寸放大模型罐:放大生产罐：V1、D1、H1V2、D2、H2V 1V 2= D13 mD2 = D133放大倍数：V 2V 13 D2 D1 V 2V 12.空气流量放大空气流量二种表示法单位培养液体积，在单位时间内通入的标准状态的空气量即：（m3/m3mi）Vg /VL =VVM单位发酵罐截面积，在单位时间内通入的空气量（以操作状况）即：空气的空罐直线速度Wg（m3/m2hr）or（m/hr）0.785DWg =Vg60

36、 273+t0.28369Vg(273+t)2.空气流量放大二种表示方法的换算1P273+t273Vg602Wg =0.1013P0.785D 273PD= 22 2.空气流量放大二种表示方法的换算Wg (VVM)DPWgPD2.空气流量放大二种表示方法的换算23.52WgPDVL(273+t)VVM=20.28369(273+t)Vg=2.空气流量放大二种表示方法的换算WgPDVVMWgPDVVM2.空气流量放大空气量放大的三种方法（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)P 1P2D2D1Wg2Wg 1)(= (VVM)2 (D2 P2)(VVM)1(D1P 1)=)P2P 1D1D2(VVM)2(VVM)1)(= (Wg2 (P2 /D2)Wg 1(P 1/D1)=Wg (VVM)DP2.空气流量放大（2）以空气直线流速相同原则放大(Wg) 1 =(Wg)2(HL)1(HL)2D1 2 / 32.空气流量放大（3）以KLa值相同原则放大(KLa)1 =(KLa)22/3KLa (Vg/VL)HL2 / 32 / 3)D2(Vg/V L)2(Vg/V L)1= (=DD1 2 / 3D2 1/ 3D2 1/ 3D1 2 / 32.空气流量放大（3）以KLa值相同原则放大WgDVgVL=WgD23)D1D2Wg2 /