生化工程,第七章反應(yīng)器放大與設(shè)計(jì)

第七章：反應(yīng)器放大與設(shè)計(jì)Kikkoman'ssecondU.S.plantinCaliforniaArtist'srenditionofthenewFolsomplantKikkomanFoods,Inc.,asoysauceproductionfacility,isestablishedinWalworth,Wisconsin(U.S.).珠江橋醬油研發(fā)中心TANKFARMSUPPLIEDWITH171TANKTOPS.-FERMENTATIONAREA-STORAGEAREA-FILTRATIONAREA-BRIGHTBEERAREA-YEASTAREAYEASTAREAFERMENTATIONFILTRATIONSTORAGEBBT=45=63=11=12=40Korea生化反應(yīng)器的放大工程放大搖瓶試驗(yàn)小試中試工業(yè)化生產(chǎn)生物反應(yīng)特點(diǎn)綜合性學(xué)科采用生物催化劑原料為可再生資源反應(yīng)條件溫和產(chǎn)物濃度較低生物學(xué)化學(xué)工程學(xué)生物化工(生物反應(yīng)工程)生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究生物反應(yīng)過程的速率及其影響因素包括兩個(gè)層次本征動(dòng)力學(xué)（微觀動(dòng)力學(xué)）反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)（宏觀動(dòng)力學(xué)）傳遞因素反應(yīng)體系：A+BCE傳遞對(duì)反應(yīng)速率的影響A,B,EEAB生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器的傳遞特性(傳質(zhì)、傳熱、動(dòng)量傳遞)生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大反應(yīng)器的類型攪拌槽式反應(yīng)器管式反應(yīng)器氣體攪拌塔式反應(yīng)器（氣升式反應(yīng)器）動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器貼壁培養(yǎng)光合作用生物反應(yīng)器的優(yōu)化與控制7.1非理想流動(dòng)反應(yīng)器在小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室條件下在大規(guī)模的生產(chǎn)過程中在這一節(jié)中,我們將考察實(shí)際反應(yīng)器中有關(guān)理想模型涉及到許多非理想的條件.全混流模型活塞流模型表征混合以及這些表征方法在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.流動(dòng)模型的方法,反應(yīng)器的一些基本類型機(jī)械攪拌罐鼓泡塔,依靠氣體的噴射攪動(dòng)液體StirredTankBubbleTankInternalLoopTankExternalLoopTank氣升式反應(yīng)器液體的混合與循環(huán)是通過氣體的噴射、攪拌漿或兩者兼之而進(jìn)行的。7.2攪拌罐中液體的混合時(shí)間定義混合時(shí)間(tm):在某一時(shí)間極快地向反應(yīng)器入口流中加入一定量的示蹤劑，為達(dá)到一定混合程度(均一性)m時(shí)所需的時(shí)間?；旌铣潭?m):對(duì)液相體系示蹤劑可以是一種鹽溶液,

酸,堿,水溶性的染料.S:時(shí)間為tm時(shí)的示蹤劑濃度S0:初始示蹤劑濃度S∞:時(shí)間趨于∞時(shí)的示蹤劑濃度不同類型的反應(yīng)器,攪拌器會(huì)產(chǎn)生不同的流型和不同的混合時(shí)間特征。體積小的反應(yīng)器中2~3s2.5~160m3發(fā)酵罐29~104s1%黃原膠溶液300rpm,noairflow6min500rpm,0.25%airflow1min在不同工況條件下的一些混合時(shí)間數(shù)據(jù)混合時(shí)間可以通過連續(xù)地監(jiān)測(cè)反應(yīng)器中某一處或某幾處位置的示蹤劑濃度的變化過程而得到。StartAfterawhile混合時(shí)間的測(cè)定測(cè)定裝置很多檔板，小攪拌漿輸出信號(hào)(tC:循環(huán)時(shí)間;tM:混合時(shí)間)從圖中可以提出,示蹤劑濃度的周期性變化較為明顯,這意味著反應(yīng)器中的流體在達(dá)到組成均一之前，往往會(huì)發(fā)生數(shù)次循環(huán)流動(dòng)。檢測(cè)到四次循環(huán)§7.3停留時(shí)間分布(ResidenceTimeDistribution,

RTD)想象一下，當(dāng)一定體積的流體進(jìn)入連續(xù)操作的反應(yīng)器之后會(huì)發(fā)生什么情況?由于反應(yīng)器中的攪拌作用,這一流體將會(huì)破裂成更小的流體,并在反應(yīng)器中發(fā)生分散或混合。因此,其中一部分流體會(huì)很快地流出反應(yīng)器,而另一部分流體會(huì)較慢地流出反應(yīng)器,從而造成同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的流體會(huì)在不同時(shí)間流出反應(yīng)器.出口處流出的流體是由反應(yīng)器中不同停留時(shí)間的微元流體組成的混合流體。測(cè)定反應(yīng)器出口處流體的停留時(shí)間分布

(RTD)能為了解反應(yīng)器中流體的混合與流動(dòng)模型提供非常有用的信息。分析反應(yīng)器的工況，提供改進(jìn)操作性能的有用信息通過RTD建立合適的流動(dòng)模型，作為進(jìn)行反應(yīng)器設(shè)計(jì)的依據(jù)RTD測(cè)定示意圖(1,階躍法)檢測(cè)器示蹤劑連續(xù)加入流體將系統(tǒng)中作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的流體切換為流量相同的含有示蹤劑的流體.示蹤劑的濃度C0StimulusResponse由階躍法響應(yīng)曲線求得的叫停留時(shí)間分布的分布函數(shù),又稱函數(shù)F(t)CeCfRTD測(cè)定示意圖(2,脈沖法)檢測(cè)器示蹤劑一個(gè)脈沖流體在很多情況下是需要測(cè)定停留時(shí)間分布(RTD)的密度函數(shù)E(t),將一定量的示蹤劑以脈沖的方式加入到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的流體中,然后反應(yīng)器出口處測(cè)定示蹤劑的濃度.根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的基本原理密度函數(shù)E(t),E(t)dt=在反應(yīng)器中停留時(shí)間介于t到t+dt

之間的流體粒子所占的百分率,其中E(t)稱為停留時(shí)間分布密度函數(shù).結(jié)合F(t)的定義,or也就是說,E(t)可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的F(t)曲線進(jìn)行微分計(jì)算得到.F(t)和E(t)的關(guān)系停留時(shí)間分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值(1)數(shù)學(xué)期望也就是均值。對(duì)停留時(shí)間分布來說，也就是平均停留時(shí)間，即：數(shù)學(xué)期望為隨機(jī)變量的分布中心，在幾何圖形上，它是E(t)曲線所包圍面積的重心在橫軸上的投影E(t)t_t令無因次時(shí)間那么(2)方差

方差表示的是對(duì)平均值的離散程度，方差越大，分布越寬。又稱散度若以無因次方差表示，則tE(t)密度函數(shù)對(duì)于分析實(shí)際反應(yīng)器中的流型相對(duì)于理想反應(yīng)器的偏離程度是很有用的判據(jù).但是RTD也不能表征所有的流體混合模型.7.4理想流動(dòng)反應(yīng)器的RTD活塞流模型檢測(cè)器示蹤劑一個(gè)脈沖流體tF(t)全混流模型檢測(cè)器流體示蹤劑假設(shè)采用階躍法，連續(xù)流入反應(yīng)器的示蹤劑濃度為C(0),反應(yīng)器出口處流體中示蹤劑濃度為C(t),流體流量為V,作物料衡算：當(dāng)t=0時(shí),C(t)=0：積分上式可得因此，因?yàn)?，因此，D為稀釋率以無因次時(shí)間θ表示，則對(duì)于理想的全混流反應(yīng)器CSTRttE(t)F(t)0.632在CSTR中，停留時(shí)間小于平均停留時(shí)間的物料粒子所占的分率為63.2%，而其余36.8%的粒子的停留時(shí)間要大于平均停留時(shí)間?！?.6生化反應(yīng)器的放大反應(yīng)器的放大為什么生化反應(yīng)器的放大比較困難?單位體積的表面積減少發(fā)酵罐的高徑比一般為2:1~3:1,如果保持這個(gè)比例不變,那么在放大過程中，表面積與體積之比會(huì)急劇下降.而這個(gè)變化會(huì)使氧氣的傳遞趨于困難。物理?xiàng)l件發(fā)生改變放大的反應(yīng)器中的物理環(huán)境與幾何相似的小反應(yīng)器中的物理環(huán)境會(huì)有所差異.放大規(guī)模的改變會(huì)導(dǎo)致生化反應(yīng)器中物理環(huán)境的改變，這種改變往往會(huì)影響到細(xì)胞的生長和代謝過程。當(dāng)反應(yīng)器放大過程中引起的物理化學(xué)環(huán)境變化對(duì)細(xì)胞造成損傷或破壞，細(xì)胞對(duì)在不同放大規(guī)模下不同培養(yǎng)環(huán)境的代謝響應(yīng)會(huì)有所差異。單位體積的輸入功率恒定

(P/V,alsoOTR)生化反應(yīng)器放大的方法?kLa恒定(oxygensupply)Re恒定

(geometricallysimilarflowpatterns)混合時(shí)間恒定

(mixingtime)攪拌器末端速度恒定(shear)每一種方法都有成功的例子，但不是普適的，各有優(yōu)缺點(diǎn).一般的放大方法多是經(jīng)驗(yàn)性的，定性的方法.研究流體的停留時(shí)間分布，混合時(shí)間，氣體分散等過程的機(jī)理及其數(shù)學(xué)模型有助于實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器傳遞特性的定量化，在此基礎(chǔ)上建立的過程動(dòng)力學(xué)模型，使其成為反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大的基礎(chǔ)。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B7.6.1機(jī)械攪拌罐經(jīng)驗(yàn)放大法例:某廠在100L機(jī)械攪拌罐中進(jìn)行淀粉酶生產(chǎn)試驗(yàn)，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(yàn)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(shí)驗(yàn)，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。以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn)(1)計(jì)算試驗(yàn)罐的kLa先求攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)ReM由功率系數(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(shí),即ReM>=104時(shí),對(duì)圓盤六直葉渦輪,NP=6.0;對(duì)圓盤六彎葉渦輪,NP=4.7;而對(duì)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所以2檔葉輪的不通氣時(shí)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

：(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(jì)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。(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(shí)，就有Qg∝VL∝D3而空截面氣速為：由此可見，隨著發(fā)酵規(guī)模的增大，空截面氣速us的增大與發(fā)酵罐直徑的增大成正比，即與罐體積的立方根成正比。所以經(jīng)放大的倍數(shù)較大時(shí)，則其空截面氣速us有較大的增加。過大的us會(huì)造成太多的泡沫產(chǎn)生甚至跑料，而且消耗的通氣功率也將太高。因此在發(fā)酵反應(yīng)器放大時(shí)，必須全面考慮以確定通氣流率。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(duì)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(yàn)表明，這種氣速太高。故可折中取大罐的us=150cm/min,由此可計(jì)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(jì)算放大罐的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率因所以，7.01x10-6=7.434x10-8Pg0.56n0.7所以，Pg=3356n-1.25又根據(jù)Pg的又一表達(dá)式：即：比較兩個(gè)不同的Pg表達(dá)式可得：由攪拌軸功率公式可計(jì)算得到：聯(lián)立上面二式可計(jì)算得到：n=123r/minP=10.2kWPg=8.19kW試驗(yàn)罐與放大計(jì)算結(jié)果比較項(xiàng)目 試驗(yàn)罐 放大罐公稱體積V(m3) 0.1 20有效體積VL(m3) 0.06 12放大倍數(shù) 1 200直徑D(m) 0.375 2.193高徑比H/D 2.4 2.4液柱高HL/D 1.5 1.5攪拌葉輪d/D 1/3 1/3通氣強(qiáng)度(vvm) 1.0 0.462P/VL(kW/m3) 1.24 0.789Pg/VL(kW/m3) 0.658 0.704攪拌轉(zhuǎn)速n(r/min) 350 120葉尖線速度npd(m/s) 2.291 4.593kLa 7.01x10-6

7.01x10-6Volumetricoxygentransfercoefficient(KLa)in5Land300L

fermenter以P/VL相等為基準(zhǔn)利用經(jīng)驗(yàn)公式求解kLa往往會(huì)有較大的誤差，因此對(duì)某些發(fā)酵系統(tǒng)并不理想。而單位體積發(fā)酵液的攪拌功率P/VL與kLa有密切的關(guān)系且容易測(cè)量和計(jì)算。實(shí)踐表明，對(duì)于溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的非牛頓發(fā)酵液，把P/VL相等作為放大準(zhǔn)則效果較好。仍以上一例的數(shù)據(jù)為依據(jù)，以P/VL相等為基準(zhǔn)進(jìn)行放大計(jì)算。對(duì)試驗(yàn)罐，有：同理對(duì)放大罐，有：根據(jù)P/VL相等原則，令(P/VL)1=(P/VL)2可以得到：由題設(shè)，知n1=350r/min,d1=0.125m按幾何相似原則放大，放大罐的d2=0.72m用d1和d2的值代入上面關(guān)系式，可求解出放大罐的攪拌轉(zhuǎn)速：因此，放大罐的攪拌功率P為：因此，放大罐的通氣攪拌功率Pg為：取放大罐的通氣強(qiáng)度為0.462vvm,(與上一例相同)，則代入上式得：在上述條件下，相應(yīng)的體積溶氧系數(shù)為：試驗(yàn)罐與放大計(jì)算結(jié)果比較項(xiàng)目 試驗(yàn)罐 放大罐公稱體積V(m3) 0.1 20有效體積VL(m3) 0.06 12放大倍數(shù) 1 200直徑D(m) 0.375 2.193高徑比H/D 2.4 2.4液柱高HL/D 1.5 1.5攪拌葉輪d/D 1/3 1/3通氣強(qiáng)度(vvm) 1.0 0.462P/VL(kW/m3) 1.24 1.18Pg/VL(kW/m3) 0.658 0.85攪拌轉(zhuǎn)速n(r/min) 350 109葉尖線速度npd(m/s) 2.291 4.172kLa 7.01x10-6

7.28x10-6以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)應(yīng)用絲狀菌進(jìn)行發(fā)酵，因這類微生物細(xì)胞受攪拌剪切的影響較明顯，而攪拌葉尖線速度πdn是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。若僅考慮維持kLa或P/VL相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導(dǎo)致放大設(shè)計(jì)失誤。在P/VL相等的條件下，d/D越小，攪拌剪切越強(qiáng)烈，這有利于菌絲體的分散和氣泡的破裂細(xì)碎，有利于溶氧傳質(zhì)。但是若攪拌葉輪直徑(d/D)過小,則攪拌泵送能力下降，混合時(shí)間加長，這會(huì)影響反應(yīng)溶液混合的均勻性。通常對(duì)大多數(shù)的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度宜取2.5~5.0m/s.剪切作用對(duì)生物過程的影響對(duì)微生物的影響細(xì)菌一般是1~2mm，對(duì)剪切不敏感的。具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁，受剪切力影響較小。酵母一般為5mm，細(xì)胞壁厚，但出芽點(diǎn)和疤點(diǎn)是細(xì)胞壁的弱處。有報(bào)道證明酵母出芽繁殖受到機(jī)械攪拌的影響。霉菌和放線菌(菌團(tuán)形式和自由絲狀形式)不同形式對(duì)發(fā)酵液的粘度及氧傳質(zhì)的影響是不同的。剪切會(huì)打破菌團(tuán)和菌絲體，對(duì)菌絲形態(tài)、生長、和產(chǎn)物合成造成影響，還可能導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)的釋放。剪切作用對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的影響動(dòng)物細(xì)胞大小一般為10~100mm：培養(yǎng)方式貼壁培養(yǎng)懸浮培養(yǎng)轉(zhuǎn)瓶培養(yǎng)微載體培養(yǎng)剪切作用對(duì)動(dòng)物細(xì)胞損傷的因素機(jī)械攪拌罐放大過程測(cè)定試驗(yàn)罐的Qg、n、發(fā)酵速率及幾何尺寸測(cè)定發(fā)酵液的特性：r、m計(jì)算試驗(yàn)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(gè)數(shù)按幾何相似原則計(jì)算放大罐的尺寸確定放大準(zhǔn)則，通常對(duì)高耗氧生物反應(yīng)用kLa相等原則計(jì)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(jì)算N估算攪拌功率7.6.2氣升式反應(yīng)器的放大沒有機(jī)械攪拌裝置壓縮空氣的壓強(qiáng)、流量及空壓機(jī)的型號(hào)規(guī)格是決定反應(yīng)器能耗的關(guān)鍵反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、發(fā)酵液的物化特性也起著重要的作用鼓泡式反應(yīng)器常以空截面氣速為基準(zhǔn)通氣能耗當(dāng)HL<=2m當(dāng)HL>2m體積溶氧系數(shù)混合時(shí)間7.6.3氣升式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)雖然生物氣升式反應(yīng)器是氣液非均相體系，但是其最基本的原理和最重要的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)是與純水的液體噴射循環(huán)反應(yīng)器相似的。結(jié)構(gòu)尺寸：反應(yīng)器高H‘液位高H反應(yīng)器內(nèi)徑Dt噴射管內(nèi)徑D1循環(huán)管高LE循環(huán)管直徑Dr循環(huán)管距底部AuDtHD1DrLEAuH’M1M2基本設(shè)計(jì)參數(shù)反應(yīng)器高徑比：s=H/Dt

H是液位高反應(yīng)器體積：VR=Dt2Hp/4反應(yīng)液質(zhì)量：MR=rVR=rsDt3p/4循環(huán)比：g=M3/M1=(M1+M2)/M1=1+M2/M1 M3是總質(zhì)量流率，

M2是循環(huán)質(zhì)量流率，M1是進(jìn)出口質(zhì)量流率平均循環(huán)速率：um=8M3/rpDt2=8M1g/rpDt2循環(huán)空速：gU=M3/MR=um/2H=tUm-1平均循環(huán)時(shí)間：tUm=gU-1平均停留時(shí)間：tm=MR/M1=gtUm=g/gU噴嘴出口液體流速：u1=4V1/pD12=4M1/rpD12噴嘴雷諾準(zhǔn)數(shù)：Re1=u1D1/m1=4M1/m1r1pD1平均雷諾準(zhǔn)數(shù)Rem=umDt/mm=8M1g/mmpDt其它的設(shè)計(jì)參數(shù)還有：氣含率e平均體積氣含率e=Vg/(Vg+VL) Vg是氣泡總體積混合時(shí)間tm體積傳氧系數(shù)kLa對(duì)于氣泡非并合液相，體積溶氧系數(shù)kLa完全取決于從空氣分布器進(jìn)入發(fā)酵液后的氣泡大小。循環(huán)阻力很顯然，平均循環(huán)速度越大，混合越強(qiáng)烈。循環(huán)的速度與阻力是相關(guān)的。阻力準(zhǔn)數(shù)zU

DPU是流體循環(huán)所引起的阻力

工程規(guī)模的反應(yīng)器可用下式：驅(qū)動(dòng)循環(huán)的功率和效率液體噴射功率PL

定態(tài)下液體噴射功率PL

必須大于循環(huán)功率PU產(chǎn)生循環(huán)的效率用單位液體噴射功率的產(chǎn)生的循環(huán)功率表示

循環(huán)的效率還與氣含率、噴嘴浸沒高度等因素有關(guān)。在相同的單體體積功率下氣液噴射式循環(huán)反應(yīng)器與攪拌反應(yīng)器相比可以得到更高的kLa因氣升式反應(yīng)器沒有機(jī)械攪拌，故對(duì)于生物細(xì)胞的剪切作用相對(duì)較弱，除了動(dòng)物細(xì)胞外，可不必考慮其剪切作用。氣升式反應(yīng)器在單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)及污水處理中用得最多，也廣泛應(yīng)用于植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)。用于污水處理的氣升式豎井循環(huán)反應(yīng)器已有100~300m深的規(guī)模。氣升式反應(yīng)器一般不適合于表面活性劑的生產(chǎn)。反應(yīng)器的放大和設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是使生物反應(yīng)迅速達(dá)到預(yù)期的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算包括能量消耗、混合與溶氧傳質(zhì)、熱量傳遞、培養(yǎng)基配方等。7.7熱量衡算熱量的產(chǎn)生代謝熱攪拌熱代謝熱的大小取決于有機(jī)物質(zhì)的代謝途徑，也取決于貯能物質(zhì)(如ATP)與細(xì)胞生長過程的能量偶合。小型生物反應(yīng)器的熱量控制很簡單，但隨著反應(yīng)器體積越來越大，熱量移去和溫度控制逐漸成為反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的限制因素。微生物放熱量的測(cè)定很復(fù)雜，不常檢測(cè)。一般利用代謝放熱速率與細(xì)胞生長的耗氧速率的關(guān)聯(lián)表達(dá)式進(jìn)行估算(對(duì)好氧培養(yǎng)過程)。在耗氧過程中，熱釋放可直接與氧的利用相關(guān)聯(lián)。1mol氧對(duì)應(yīng)于4mol電子，即：比耗氧速率=OUR/X單位質(zhì)量細(xì)胞放熱速率26.95

kcal/gequivalentsofavailableelectronstrans-ferredtooxygen(coefficientofvariationof4%);(ShulerML.BioprocessEngineering,BasicConcepts.)每1mol電子轉(zhuǎn)移到O2所釋放的熱量細(xì)胞代謝放熱速率熱量的移去因通氣帶走顯熱和蒸發(fā)熱特別是當(dāng)通入的空氣在壓縮過程中經(jīng)過干燥時(shí)，空氣通過發(fā)酵罐時(shí)，被水飽和而攜帶移去熱量。熱交換器移去要求所設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐，移去熱量的能力應(yīng)大于可能的產(chǎn)熱量。熱量平衡式QE:單位體積培養(yǎng)基中除去熱量速率Qh:單位體積培養(yǎng)基中因代謝反應(yīng)的放熱速率QA:單位體積培養(yǎng)基中因攪拌造成的放熱速率，可以根據(jù)攪拌時(shí)的功率消耗換算而來。QS:單位體積培養(yǎng)基中因通氣帶走的顯熱和蒸發(fā)熱速率QR:單位體積培養(yǎng)基中向周圍環(huán)境散失熱量速率(器壁和熱交換器等)當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí),QE＝0熱量傳遞熱量的傳遞換熱裝置(夾套，蛇管，打循環(huán)到外部熱交換器)InternalCoilsJacketedVessel熱量傳遞的經(jīng)驗(yàn)公式工程中熱量傳遞計(jì)算的基礎(chǔ)是假定過程為定態(tài)，此時(shí)熱通量Q為：ai和ao為器壁內(nèi)表面Ai和外表面Ao上的傳熱系數(shù)，d為器壁的厚度，w為器壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)。平均壁面積和溫度差如左式所示。k為總傳熱系數(shù)，由下式定義：式中，7.7反應(yīng)器的設(shè)計(jì)大型發(fā)酵罐攪拌裝置規(guī)模5L50L500L5T50T100T500T--800T材料不銹鋼 碳鋼冷卻系統(tǒng)夾套外盤管內(nèi)蛇管攪拌系統(tǒng)圓盤六直角葉渦輪攪拌器螺旋漿攪拌器斜葉漿攪拌器螺帶漿錨式漿高粘度發(fā)酵系統(tǒng)大高徑比，組合攪拌系統(tǒng)發(fā)酵罐用攪拌器的

優(yōu)化設(shè)計(jì)提綱引言徑向流攪拌器徑向流攪拌器BT-6軸向流攪拌器軸向流攪拌器KSX攪拌器優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)束語影響發(fā)酵過程的因素環(huán)境因素

－壓力、溫度、PH值、培養(yǎng)基、純度等攪拌混合

－流動(dòng)方向：徑向、軸向（下壓或上提）

－混合時(shí)間

－剪切水平

－傳質(zhì)系數(shù)

－傳熱系數(shù)引言優(yōu)化發(fā)酵過程明確過程的控制因素：

傳質(zhì)控制過程？還是動(dòng)力學(xué)控制過程？產(chǎn)品質(zhì)量或產(chǎn)率差別的起因：

－放大引起的尺度變化問題？

－容積相同，形狀不同？

－同樣的罐體，攪拌裝置不同？

－其它因素等引言氣液混合過程的需求氣體分散－剪切氣泡分散－循環(huán)傳質(zhì)－剪切混合－循環(huán)傳熱－循環(huán)引言適用氣液過程的攪拌器徑向流攪拌器：

－Rushton渦輪

－半彎管圓盤渦輪

－BT-6軸向流攪拌器：

－A315

－KSX，四寬葉旋槳

－XCK，四斜葉開啟渦輪引言氣體分散狀態(tài)氣泛載氣完全分散引言氣液分散原理早期

氣液分散是氣體直接被槳葉剪切成細(xì)小氣泡而形成的；現(xiàn)在

近年的研究表明，氣液分散是受氣穴控制的－氣穴理論；

1975年，Van’tRiet,Smith,Nienow等發(fā)現(xiàn)，六直葉渦輪槳葉的背面都有一對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的漩渦，漩渦內(nèi)負(fù)壓較大，從葉片下部供給的氣體立即被卷入漩渦，形成氣體充填的空穴，稱為氣穴；

引言數(shù)值模擬結(jié)果顯示Rushton渦輪背面的氣穴引言氣穴理論認(rèn)為，氣體不是直接被攪拌器剪碎而得到分散的。氣泡的分散首先是在槳葉背面形成較為穩(wěn)定的氣穴，氣穴在尾部破裂，形成富含小氣泡的分散區(qū)，這些氣泡在離心力的作用下被率出，并隨液體的流動(dòng)分散至槽內(nèi)其它區(qū)域。氣速過大或攪拌轉(zhuǎn)速過低時(shí)，大氣穴合并，整個(gè)攪拌器被氣穴包裹，氣體穿過攪拌器直接上升到液面，從而發(fā)生氣泛。氣穴理論所揭示的氣－液分散機(jī)理對(duì)開發(fā)新型攪拌器具有重大意義！氣穴理論引言徑向流攪拌器1950‘s－RushtonTurbine六個(gè)平直葉片固定在圓盤上；典型的徑向流攪拌器；適合氣體或液體分散；功率準(zhǔn)數(shù)4.5～6.2；單相流動(dòng)中葉片后方存在尾渦；氣液兩相操作時(shí)，葉片后方有氣穴；徑向流攪拌器1980‘s－半彎管圓盤渦輪(HDY)六個(gè)彎曲葉片固定在圓盤上；典型的徑向流攪拌器；設(shè)計(jì)來源：英國JohnSmith及其合作人員的研究成果；功率準(zhǔn)數(shù)2.8～3.2；同時(shí)期的類似攪拌器有：Lightnin-A130,Cheemineer-CD6,Philadelphia-SmithTurbine徑向流攪拌器1988~1993－Scaba&ICI更加凹入的葉片結(jié)構(gòu)；葉片后部變得尖利；帶有或取消中間的圓盤；徑向流攪拌器徑向流攪拌器BT-6BT-6攪拌器(1998)結(jié)構(gòu)：上下不對(duì)稱的葉片結(jié)構(gòu)；葉片上下的曲線形狀是不同的，同時(shí)上部的葉片略長于下面的葉片；上部長出的部分葉片能將上升的氣體罩住，然后使其從葉片內(nèi)部分散出去。BT-6BT-6的特性:低功耗：功率準(zhǔn)數(shù)Np＝2.3；在雷諾數(shù)大于1000時(shí)，其功率準(zhǔn)數(shù)基本上已經(jīng)是常數(shù)；通氣條件下，其功率下降比較平緩；比較好的氣體分散能力，可達(dá)渦輪槳的5倍多；氣液傳質(zhì)系數(shù)比渦輪可提高60%；BT-6計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)50萬；滑移網(wǎng)格法；采用雷諾時(shí)均湍流模型和大渦模擬；攪拌槳處采用非常細(xì)的網(wǎng)格尺寸，以利于捕捉流動(dòng)的細(xì)節(jié)。BT-6整體宏觀流動(dòng)場(chǎng)BT-6攪拌槳附近的流動(dòng)BT-6三種攪拌器的氣體分散實(shí)驗(yàn)表觀氣速Vsg=0.1m/sBT-6氣體分散能力比較BT-6三種攪拌器的氣液傳質(zhì)系數(shù)KLaPu/V=2.3kw/m3BT-6國外應(yīng)用BT-6和HE-3（下壓操作）組合應(yīng)用于發(fā)酵罐，裝機(jī)功率750kw；BT-6和Maxflo-Y(上提操作）組合應(yīng)用于發(fā)酵罐，裝機(jī)功率162kw；BT-6和斜葉槳（PBT）組合應(yīng)用在加氫反應(yīng)器；HE-3Maxflo-YBT-6軸向流攪拌器軸向流攪拌器的特點(diǎn)近代流體力學(xué)的基礎(chǔ)上邊界層分離，機(jī)翼理論和船用螺旋槳理論能耗低；循環(huán)量大；剪切性能溫和；軸向流攪拌器典型的軸向流攪拌器LIGHTNIN公司－A310,A315,A340CHEMINEER公司－HE3,MAXFLO北京化工大學(xué)－CBY系列浙江長城減速機(jī)有限公司－ZCX,KSX華東理工大學(xué)－翼形槳江蘇石油化工學(xué)院－JH攪拌器……軸向流攪拌器軸向流攪拌器KSXKSX結(jié)構(gòu)及特性寬葉結(jié)構(gòu)，能有效控制氣體，防止液泛；低功耗：功率準(zhǔn)數(shù)Np≈0.8；通氣條件下，其功率下降比較平緩；持氣量比渦輪槳提高80%，氣體分散量提高4倍；產(chǎn)量可以提高10~50%；剪切溫和，僅為渦輪槳的1/4。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)65萬；多重參考系法；采用雷諾時(shí)均湍流模型；攪拌槳處采用非常細(xì)的網(wǎng)格尺寸，以利于捕捉流動(dòng)的細(xì)節(jié)。KSX整體宏觀流動(dòng)場(chǎng)KSXKSXKSX多層攪拌器的數(shù)值模擬KSXKSX攪拌器優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)酵罐的發(fā)展趨勢(shì)型式多樣化

自吸式，氣升式，噴射式葉輪，外循環(huán)和多孔板塔式發(fā)酵罐；

機(jī)械攪拌標(biāo)準(zhǔn)式發(fā)酵罐應(yīng)用最普遍。容積大型化

抗生素：80~200米3為主

氨基酸、檸檬酸：150~300米3為主

最大檸檬酸發(fā)酵罐400米3(長城)

味精行業(yè)：660米3發(fā)酵罐多層組合型式的攪拌器先進(jìn)的輔助設(shè)計(jì)開發(fā)工具攪拌裝置工藝設(shè)計(jì)計(jì)算工具包優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌裝置機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算程序優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌裝置三維設(shè)計(jì)軟件－CAXA優(yōu)化設(shè)計(jì)完善的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)過硬的加工制造能力優(yōu)化設(shè)計(jì)裝配現(xiàn)場(chǎng)加工完成的攪拌器優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床大型壓力機(jī)XanthanGumFermentationMajorProducersofXanthanGumThecurrentmajorproducersofxanthangumare:COMPANY

No.OFPLANTS

ESTIMATED

ANNUALCAPACITCPKelco 3+1Contracted 25,000mT

Rhodia

Melle,France8,000mT

Jungbunzlauer

Pernhofen,Austria 2,500mTDegussa Baupte,France 1,200mTADM Clinton,USA5,000mT

ZiboZhong

Xuan Zibo,China 8,000mTGoldMilletWulian,China1000mT

ThecurrentestablishedxanthanmarketisestimatedtobemorethanUS$500million/year,Withannualrequirementofmorethan50,000metrictons.Foodgradexanthangumisgrowingbyabout10%ayear.Pricefrom8000-15000US$/

metrictonsXanthanmarketCPKelcoUS,Inc.TheproductionofXanthanbyfermentation

AirHighMixingHighTransferrateHighShearrateLowTransferRateandWellMixingTheInfluenceofImpellerTypeinPilotScaleXanthanFermentations(A.Amanullah,1998)Thescale-upcriteria:AconstantspecificoxygentransferratewasexperimentallyconfirmedtobevalidinxanthanbioprocessesbyHerbstetal.Inordertokeepthevolume-specificoxygentransferrateconstan