發(fā)酵過程的實驗室研究中試和放大

發(fā)酵過程的實驗室研究、

中試和放大常規(guī)放大進(jìn)程第一節(jié)小試（實驗室研究）一、小試設(shè)備：

生化培養(yǎng)箱、搖床/搖瓶柜、小型發(fā)酵罐。

(一)、搖瓶機(jī)：往復(fù)式：80-120rpm，沖程80-120mm；用于培養(yǎng)細(xì)菌、酵母等單細(xì)胞菌體；旋轉(zhuǎn)式：60-300rpm，偏心距30-60mm。傳氧速率好、培養(yǎng)液不會濺瓶口。（普遍采用）搖瓶實驗影響微生物生長的物理因素：1.瓶塞是氧傳遞的限制因素2.水蒸發(fā)的影響影響培養(yǎng)液的體積，改變氧傳遞效率，改變菌體產(chǎn)物濃度3.比表面積的影響(二）、小發(fā)酵罐10L以下罐：玻璃罐較多，大多2級攪拌，六平葉，一般最大600rpm，環(huán)形空氣分布管。30-150L罐：不銹鋼罐，3級攪拌，六平葉/彎葉，一般最大500-550rpm，空氣分布器：直管。都配有DO、pH、T、泡沫等傳感器。（可直接檢測控制溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、通氣流量、罐壓、消泡、pH、DO、發(fā)酵液體積、補料量、排氣CO2

和O2

等十多個在線參數(shù)）發(fā)酵罐（液體發(fā)酵）的種類：密閉厭氧發(fā)酵罐通氣攪拌發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐

密閉厭氧發(fā)酵罐2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖6-1小型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖1.三角皮帶轉(zhuǎn)軸；2.軸承支柱；3.聯(lián)軸節(jié)；4.軸封；5.窺鏡；6.取樣口；7.冷卻水出口；8.夾套；9.罐壁；10.溫度計；11.軸；12.攪拌器；13.底軸承支架；14.放料口；15.冷水進(jìn)口；16.通風(fēng)管；17.熱電偶接口；18.擋板；19.接壓力表；20.手孔；21.電動機(jī)；22.排氣孔；23.取樣口；24.進(jìn)料口；25.壓力表接口；26.窺鏡；27.手孔；28.補料口圖6-2；大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖1.軸封；2.人孔；3.梯子；4.聯(lián)軸節(jié)；5.中間軸承；6.熱電偶接口；7.攪拌器；8.通風(fēng)管；9.放料口；10.底軸承；11.溫度計；12.冷卻管；13.軸；14.取樣；15.軸承柱；16.三角皮帶傳動；17.電動機(jī)；18.壓力表；19.取樣口；20.人孔；21.進(jìn)料口；22.補料口；23.排氣口；24.回流口；25.窺鏡攪拌器和擋板

1攪拌器的作用，型式及特點

攪拌器的作用

打碎氣泡，產(chǎn)生漩渦，提高氧的利用率促進(jìn)傳質(zhì)和傳熱液體流型：徑向流、軸向流、切向流

流型徑向流（葉片對液體施以徑向離心力，流體流動的方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環(huán)流動。）特點：剪切作用較強(qiáng)，混合效果較差流型軸向流（流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流）特點：剪切作用較弱，混合效果較好流型切向流（無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運動，流速高時液體表面會形成旋渦，此時流體從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。）特點：剪切作用和混合效果很差螺旋槳攪拌器軸向流的代表優(yōu)點：混合效果好缺點：剪切作用差，不能阻止氣流沿攪拌軸上升，不能打碎氣泡，不利于溶氧，只用于培養(yǎng)基的配制，料液的混合。軸向流攪拌器的型式和特點徑向流攪拌器的型式與特點圓盤平直葉渦輪攪拌器：是徑向流的代表，在圓盤上焊有六片平直葉，圓盤可阻止氣體沿攪拌軸上升，軸向流差，不利于混合，剪切作用強(qiáng)，有利于打碎氣泡，溶氧效果好，功率消耗大。圓盤彎葉渦輪攪拌器：徑向流較差，軸向流較強(qiáng)，混合效果較好，剪切作用不如平直葉，溶氧效果不如平直葉，功率消耗小。圓盤箭葉渦輪攪拌器：軸向流強(qiáng)，徑向流差，剪切作用小，混合效果最好，溶氧效果差，功率消耗最小。++++++++++箭葉++++++++++++彎葉++++++++++++++平直葉輸出溶氧混合剪切徑向流軸向流型式菌絲體發(fā)酵單細(xì)胞發(fā)酵應(yīng)用幾種渦輪攪拌器作用比較2擋板

（a）（b）（c）（a）周邊無檔板；（b）螺旋槳攪拌器周邊有垂直檔板；（c）渦輪攪拌器周邊有垂直檔板43擋板的作用：改變液流的方向，將切向流改為軸向流,防止產(chǎn)生漩渦。提高攪拌混合效果，提高湍流強(qiáng)度.數(shù)目通常為4～6塊，其寬度為0.1～0.12D。全擋板條件：是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時，攪拌功率不再增加。（消除液面漩渦的最低條件）。式中：D—罐的直徑（mm）Z—擋板數(shù)W—擋板寬度（mm）用來校驗檔板數(shù)是否夠3消泡器作用：打碎泡沫，防止逃逸型式：鋸齒狀，梳狀，孔板狀，一般安裝在攪拌軸上高出液面的部位，隨攪拌軸轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，將泡沫打碎。長度：

L=0.65D4空氣分布管作用：使通入的空氣均勻分布型式：單管式正對罐底，距罐底40mm，罐底襯不銹鋼圓板，防空氣沖擊

環(huán)式易堵。需要變速的原因：電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于攪拌器所需轉(zhuǎn)速。電機(jī)分四級，轉(zhuǎn)速分別約為：

800、1000、1400、1600rpm；而攪拌轉(zhuǎn)速則一般為90-110rpm。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動。5傳動裝置（1）變速裝置（2）攪拌軸：有上懸式和下伸式兩種作用：對軸固定，防止擺動，同時又不影響轉(zhuǎn)動軸承結(jié)構(gòu)6.軸封

軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。形式：填料函軸封、機(jī)械軸封兩種。

1-軸2-填料壓蓋3-壓緊螺栓

4-填料箱體

5-銅環(huán)6-填料填料函軸封機(jī)械軸封又稱端面軸封，由彈性元件、動環(huán)和靜環(huán)組成。動環(huán)固定在軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動。靜環(huán)裝在殼體上。動環(huán)依靠彈簧的壓力與靜環(huán)緊密接觸，阻止流體泄漏。由兩個環(huán)的端面互相密切貼合而達(dá)密封目的。

依靠三個密封點達(dá)到完全密封：1

動環(huán)與靜環(huán)之間的密封2

靜環(huán)與壓蓋之間的密封3

動環(huán)與軸之間的密封1-彈簧2-動環(huán)3-硬質(zhì)合金4-靜環(huán)5-O形密封圈

攪拌器軸功率的計算全檔板條件下，對于牛頓型流體通過因次分析，得：式中P0：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（瓦）

ρ：液體的密度（公斤/米3）

μ：液體的粘度（牛.秒/米2）

D：渦輪直徑（米）

N：渦輪轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/秒）

K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及流體的流態(tài)1.單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計算是一個無因次數(shù)，可定義為功率準(zhǔn)數(shù)NP。該準(zhǔn)數(shù)表征著機(jī)械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。式中ω：渦輪線速度

a：加速度

V：液體體積

m：液體質(zhì)量

是一個無因次數(shù)，稱為功率準(zhǔn)數(shù)NP

。是一個無因次數(shù)，稱為攪拌雷諾數(shù)ReMNP~ReM

的關(guān)系：實測找出規(guī)律，即經(jīng)驗系數(shù)K，m當(dāng)ReM＜10時，液體為層流狀態(tài)，m=-1；當(dāng)ReM＞104時，液體為湍流狀態(tài)，m=0；多數(shù)發(fā)酵罐攪拌器在此范圍，故Np=常數(shù)＝K，查圖得Np

。ReM＞104，達(dá)到充分湍流之后

P0=NPD5N3ρ2，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算使用多個渦輪時，兩者間的距離S，對非牛頓型流體可取為2D，對牛頓型流體可取2.5~3.0D；靜液面至上渦輪的距離可取0.5~2D，下渦輪至罐底的距離C可取0.5~1.0D。符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗公式計算或?qū)崪y結(jié)果都表明，多個渦輪輸出的功率近似等于單個渦輪的功率乘以渦輪的個數(shù)。邁凱爾的修正關(guān)系式3，通氣液體機(jī)械攪拌功率的計算計算舉例某細(xì)菌醪發(fā)酵罐罐直徑T＝1.8(米)圓盤六彎葉渦輪直徑D＝0.60米，一只渦輪罐內(nèi)裝四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌器轉(zhuǎn)速N＝168轉(zhuǎn)／分通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量)罐壓P＝1.5絕對大氣壓醪液粘度μ＝1.96×10-3?！っ耄?醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求計算Pg(1)計算ReMReM=5.25×104(2)由NP~ReM查NP

，NP=4.7(3)計算P0P0=NPD5N3ρ=8.07（千瓦）(4)計算Pg7換熱裝置（1）作用：實消時預(yù)熱和冷卻，發(fā)酵過程中的冷卻和加熱。（2）型式：夾套、豎式蛇管、列管夾套：5m3以下的罐子采用，冷卻水流速低，傳熱系數(shù)小，換熱效果差。但能減少罐內(nèi)附件，減少死角。冷卻蛇管：罐內(nèi)裝4-6組，水流速度快，但管徑小，流量小，適用于冷卻水溫度低的地區(qū)。冷卻列管：罐內(nèi)裝4-6組，管徑大，耗水量大，降溫快，適用于冷卻水溫度高的地區(qū)。冷卻面積的計算

傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值或計算

夾套K為4.187*（150-250）kJ/m2hK

蛇管K為4.187*（300-450）kJ/m2hKT、t1、t2

分別為醪溫、冷卻水進(jìn)出口溫度Q總——每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積cp——冷卻水的比熱容t2——冷卻水終溫，t2=27℃t1——冷卻水初溫，t1=20℃W——冷卻水體積流量V——冷卻水流速25罐體的尺寸比例（重點）通用發(fā)酵罐通常取值系數(shù)范圍攪拌器直徑d=1/3D1/2－1/3罐筒身高

H0=2D1.7－3擋板寬度B=0.1D1/8－1/12

攪拌器間距S=2d1.5－2.5

下攪拌器距底間距C=d0.8－1.0擋板與罐壁的距離（1/5-1/8）BHL：裝料的液面高度。ha：封頭凸出部分的高度，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭有ha＝0.25D。Hb：封頭直邊高度，據(jù)壁厚一般取25、40、50mm。

機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的優(yōu)缺點優(yōu)點:操作彈性大，pH值和溫度易于控制；有較規(guī)范的工業(yè)放大方法；適合連續(xù)培養(yǎng)。缺點:驅(qū)動功率大；內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于徹底洗凈,易造成污染；在絲狀菌的培養(yǎng)中由于攪拌器的剪切作用，細(xì)胞易損傷2.2自吸式發(fā)酵罐定子的作用：將氣體與液體混勻，甩出，將大氣泡打碎，促進(jìn)溶氧。轉(zhuǎn)子的作用：將轉(zhuǎn)子內(nèi)的液體甩出，形成內(nèi)部真空，將氣體吸入。

優(yōu)點:利用機(jī)械攪拌的抽吸作用將空氣自吸入反應(yīng)器內(nèi),達(dá)到既通風(fēng)有攪拌的目的，從而省去了壓縮機(jī)。缺點:進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，因而增加了染菌機(jī)會，且攪拌轉(zhuǎn)速甚高，有可能使菌絲被切斷，使正常的生長受到影響。2.3氣升式發(fā)酵罐優(yōu)點：能耗低，液體中的剪切作用小，結(jié)構(gòu)簡單，且由于省去了機(jī)械攪拌而不需機(jī)械密封，避免了因機(jī)械密封不良造成的雜菌污染。缺點：它不適用于高粘度或含大量固體的培養(yǎng)液。1、實驗室研究的目的：菌種保藏菌種在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)和繁殖的條件研究培養(yǎng)基最適組分實驗室規(guī)模的培養(yǎng)技術(shù)（三）實驗室研究和統(tǒng)計學(xué)方法2、研究的步驟先確定培養(yǎng)基組分通氣強(qiáng)度影響代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素?fù)u瓶實驗：提供基本信息和初步發(fā)酵工藝數(shù)據(jù)三.實驗室研究和統(tǒng)計學(xué)方法3、統(tǒng)計學(xué)方法

一般實驗正交試驗均勻?qū)嶒烅憫?yīng)面實驗10.2搖瓶培養(yǎng)與罐培養(yǎng)的差異和發(fā)酵規(guī)模改變的影響一、搖瓶和罐培養(yǎng)的差異1.體積氧傳遞系數(shù)（KLa）和溶解氧的差異2.CO2濃度的差異3.菌絲受機(jī)械損傷的差異除此之外，還有哪些差異?消毒方式、接種方式、通氣方式、蒸發(fā)量、攪拌方式、pH控制、溫度控制、檢測手段1增加搖瓶機(jī)的轉(zhuǎn)速2減少培養(yǎng)基的裝量3直接向搖瓶中通入無菌空氣或氧氣等措施4可在搖瓶中加入玻璃珠來模擬發(fā)酵罐的機(jī)械攪拌來研究因攪拌引起的差異從下面四個方面模擬罐上發(fā)酵的條件二、

發(fā)酵罐規(guī)模改變的影響幾何相似、不同規(guī)模的發(fā)酵罐對比，改變的主要因素有：

菌體繁殖代數(shù)種子的形成培養(yǎng)基的滅菌通氣和攪拌熱傳遞菌體繁殖代數(shù)的差異Ng=1.44(lnV+lnx-lnX0)Ng：菌體繁殖代數(shù)V：發(fā)酵罐體積m3x：菌體濃度kg/m3X0：總菌體量kg2.培養(yǎng)基滅菌的差異分批滅菌：預(yù)熱期、維持期、冷卻期培養(yǎng)基體積越大，預(yù)熱期和冷卻期越長對培養(yǎng)基破壞越嚴(yán)重3.通氣與攪拌的差異4.熱傳遞的差異5.種子形成的差異發(fā)酵放大過程中，菌種質(zhì)量和其它發(fā)酵工藝也會改變10.3發(fā)酵規(guī)模的縮小和放大一、概述縮?。╯caledown）：大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)條件作為中小型實驗條件放大（scaleup）：實驗室和中試車間結(jié)果應(yīng)用到大規(guī)模發(fā)酵工業(yè)中二.放大或縮小的關(guān)鍵因素小設(shè)備、大設(shè)備的環(huán)境條件分析（盡量一致）：化學(xué)因素：基質(zhì)、前體濃度等，人為控制可保持恒定；物理因素：溫度、菌濃、粘度、壓力、功率消耗、剪切力等。有差異第一階段實驗室規(guī)模，進(jìn)行菌種的篩選和培養(yǎng)基的研究三.放大的過程第二階段中試工廠規(guī)模，確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件第三階段工廠大規(guī)模生產(chǎn)四、生物反應(yīng)器的放大的原理與準(zhǔn)則生物反應(yīng)器的放大的原理

——相似原理

即實驗反應(yīng)系統(tǒng)和放大反應(yīng)系統(tǒng)的生物化學(xué)反應(yīng)過程、流體流動與動量傳遞、熱量和質(zhì)量傳遞過程，能用相同的微分方程來描述，并具有相同的特征，則兩個系統(tǒng)具有相同的行為方式。理想反應(yīng)器放大應(yīng)達(dá)到的相似條件：1、幾何相似性2、流體力學(xué)相似性3、熱力學(xué)相似性4、質(zhì)量（濃度）相似性5、生物化學(xué)相似性

經(jīng)驗放大法

縮小-放大法因次分析法數(shù)學(xué)模型法

五、生物反應(yīng)器的放大方法數(shù)學(xué)模擬放大法進(jìn)行發(fā)酵罐的放大基礎(chǔ)實驗測定值過程模擬用計算機(jī)作方案研究實驗參數(shù)范圍的制定小試中試基礎(chǔ)模型的修正模型放大實驗用計算機(jī)作設(shè)計計算過程的基本設(shè)計計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較六、通氣發(fā)酵罐的設(shè)計------經(jīng)驗放大法一、幾何相似放大按反應(yīng)器的各個部件的幾何尺寸比例進(jìn)行放大。放大倍數(shù)實際上就是反應(yīng)器的增加倍數(shù)。二、恒定等體積攪拌功率放大

這種方法適用對于以溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的生物發(fā)酵，粘度較高的非牛頓型流體或高細(xì)胞密度的培養(yǎng)。對于不通氣時的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，軸功率計算

對于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大

0.01143三、恒定體積溶氧系數(shù)放大這種方法適用于牛頓性流體、高耗氧發(fā)酵（細(xì)菌發(fā)酵、酵母發(fā)酵）發(fā)酵過程的反應(yīng)器的放大。(1)以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為放大基準(zhǔn)

Kd=(2.36+3.30m)·(Pg/V)0.56·Vs0.7·N0.7·10-9m---攪拌渦輪的個數(shù)

KLa∝(Pg/V)0.

56Vs0.7N0.7P0=NpN3D5V=π/4·D2H

Qg=π/4·D2Vs

所以Pg/V∝{(N3D5)2ND3/(D2Vs)0.08}0.39/(D2H)

得Pg/V∝N2.73D2.01/Vs0.03KLa∝N2.23Vs0.68D1.13按(KLa)2=(KLa)1原則N2=N1[Vs]1/(Vs)2]0.30(D1/D2)0.51(pg)2=(pg)1[Vs]1/(Vs)2]0.849(D1/D2)0.99(2)以另一文獻(xiàn)報導(dǎo)關(guān)聯(lián)式為放大基準(zhǔn)Qg--操作狀態(tài)下的通氣流量VL--發(fā)酵液體積HL--液柱高度∵

∴

又∵∴

P為操作狀態(tài)下通入的空氣的壓力四、恒定攪拌葉尖線端速度放大適用于生物細(xì)胞受攪拌剪切影響較明顯的發(fā)酵過程的放大，例如絲狀菌的發(fā)酵。攪拌葉尖線端速度（πDn）是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。槳葉尖端線速度：五、恒定混合時間放大混合時間是指在反應(yīng)器中加入物料，到它們被混合均勻時所需的時間。在小反應(yīng)器中，比較容易混合均勻，而在大反應(yīng)器中，則較為困難。

ft——混合時間函數(shù)；

tM——混合時間，s；

n——攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；

Di——攪拌葉輪直徑，m；

D——發(fā)酵反應(yīng)器直徑，m；

HL——罐內(nèi)液體深度，m；

g——重力加速度常數(shù)，9.81m/s2。FOX用因次分析法，當(dāng)Re＞105，得出以下關(guān)系式混合時間函數(shù)ft與Re關(guān)系

以混合時間相等的準(zhǔn)則進(jìn)行放大對幾何相似的發(fā)酵罐，當(dāng)Re＞105時：當(dāng)應(yīng)用（P0/VL）1=（P0／VL）2原則放大時，n2／n1＝（Di1／Di2）2/3：

六、空氣流量放大∵∴∵∴∵

∴

又∵∴

歐洲發(fā)酵工業(yè)中的放大準(zhǔn)則工業(yè)應(yīng)用的比例（%）所采用的經(jīng)驗放大基準(zhǔn)30單位培養(yǎng)液體積消耗功率相等30kLa恒定20攪拌槳葉端速度恒定若V2/V1=125，D2=5D1，P2=1.5P1，則用上述三種不同方法計算放大后的通氣量結(jié)果如下表。放大方法VVM值

Vs值放大前放大后放大前放大后VVM相同1113.33

Vs相同10.311

kLa相同10.51311.71機(jī)械攪拌罐放大過程測定試驗罐的Qg、n、發(fā)酵速率及幾何尺寸測定發(fā)酵液的特性：r、m計算試驗罐的vvm、Qg/(nd3)、pnd及Re等預(yù)算NP、P、Pg和kLa等根據(jù)生產(chǎn)量和產(chǎn)率選擇發(fā)酵罐的體積和個數(shù)按幾何相似原則計算放大罐的尺寸確定放大準(zhǔn)則，通常對高耗氧生物反應(yīng)用kLa相等原則計算Q和N根據(jù)vvm相等原則、Q/(nd3)相等原則、us相等原則確定Q根據(jù)Pg與kLa關(guān)系計算n估算攪拌功率例：機(jī)械攪拌罐經(jīng)驗放大法某廠在100L機(jī)械攪拌罐中進(jìn)行淀粉酶生產(chǎn)試驗，所用的菌種為枯草桿菌，獲得良好的發(fā)酵效果，擬放大至20m3生產(chǎn)罐，粘度μ=2.25×10-3Pa·S，密度ρL=1020

kg/m3。試驗罐的尺寸為:直徑D=375mm，攪拌葉輪d=125mm(D/d=3.0)，高徑比H/D＝2.4，液深HL=1.5D，4塊檔板的W/D=0.1，裝液量為60L，通氣速率1.0vvm，使用2檔圓盤六直角葉渦輪攪拌器，轉(zhuǎn)速n=350r/min。通過實驗，證明此發(fā)酵為高耗氧的生物反應(yīng)，故可按體積溶氧系數(shù)相等之原則進(jìn)行放大。筒身高度H罐徑D檔板寬度W液位高度HL攪拌器直徑d兩攪拌器間距s下攪拌器距底部的間距B(1)依據(jù)幾何相似的原則計算發(fā)酵罐尺寸試驗罐D(zhuǎn)=375mm，d=125mm(2)按幾何相似原則確定20m3生產(chǎn)罐的尺寸：據(jù)題設(shè)幾何尺寸比例，放大罐與小罐相同，則有H/D＝2.4,D/d=3.0,HL/D=1.5,而有效裝料體積仍取60%，由此可得：可得D=2.17m,H=2.4D=5.20m,d=D/3=0.72m,HL=1.5D=3.26m這是按幾何相似原則計算求得的20m3生產(chǎn)罐的尺寸。仍采用兩組圓盤六直葉渦輪攪拌器。以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn)以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為放大基準(zhǔn)

Kd=(2.36+3.30m)·(Pg/V)0.56·Vs0.7·N0.7·10-9以以下關(guān)聯(lián)式為放大基準(zhǔn)以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn)(3)計算試驗罐的kLa先求攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)ReM由功率準(zhǔn)數(shù)NP視攪拌強(qiáng)度及葉輪形式而定.當(dāng)發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流時,即ReM>=104時,對圓盤六直葉渦輪,NP=6.0;對圓盤六彎葉渦輪,NP=4.7;而對圓盤六箭葉渦輪,NP=3.7，由于此處ReM>104,為圓盤六直葉渦輪，因此NP取為6.0以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn)所以2檔葉輪的不通氣時的攪拌功率為

：相應(yīng)地，通氣攪拌功率為

：(下式中Qg的單位是ml/min)從而可以算出體積溶氧系數(shù)

：其中空截面氣速為

：(3)決定大罐的通氣流率Qg:按幾何相似原則放大設(shè)備，放大倍數(shù)越高，其單位體積液體占有的發(fā)酵罐橫截面越小，若維持通氣強(qiáng)度vvm不變，則放大后空截面氣速則隨罐容增大而迅速提高。因：通氣量Qg在維持通氣強(qiáng)度vvm不變時，就有Qg∝VL∝D3而空截面氣速為：若按通氣強(qiáng)度不變，即取大罐的通氣速率為1.0vvm，可算出通氣量及相應(yīng)的空截面氣速為：對比小罐的空截面氣速(us=54.3cm/min),可見，若按通氣強(qiáng)度不變，則大罐的通氣截面氣速約相當(dāng)于小罐的6倍。經(jīng)驗表明，這種氣速太高。故可折中取大罐的us=150cm/min,由此可計算出大罐的通氣速率為：通氣強(qiáng)度為：5.55/12=0.462vvm(4)按kLa相等原則計算放大罐的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率7.01x10-6=7.434x10-8Pg0.56n0.7即：Pg=3356n-1.25又根據(jù)Pg的又一表達(dá)式：即：比較兩個不同的Pg表達(dá)式可得：由攪拌軸功率公式可計算得到：聯(lián)立上面二式可計算得到：n=123r/minP=10.2kWPg=8.19kWPg=3356n-1.25試驗罐與放大計算結(jié)果比