第七章_发酵罐的比拟放大
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发酵中试之比拟放大法
发酵工艺：发酵中试（fermentation on a pilot scale）之比拟放大法2016-05-11dayup发酵工程一、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大问题，这些内容都有一定的相互关系。
二、比拟放大的依据1、单位体积液体的搅拌消耗功率2、搅拌雷诺准数3、溶氧系数4、搅拌桨末端线速度5、混合时间6、通过反馈控制条件，尽可能使重要环境因子一致。
三比拟放大和它的基本方法比拟放大:是把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放大。
首先必须找出表征着此系统的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义的无因次数，并建立它们间的函数式，然后用实验的方法在试验设备中求得此函数式中所包含的常数和指数，则此关系式在一定条件下便可用作为比似放大的依据。
比拟放大是化工过程研究和生产中常用的基本方法之一。
发酵过程是一个复杂的生物化学过程，影响这个过程的参数有物理的、化学的、生物的，有些虽然已经被认识了，但目前还不能准确快速地测量，有些则尚未被认识。
现在只研究了少数参数对此过程的关系，而假定其它参数是不变的，实际上不可能都是不变的。
因此发酵生产过程设备比似放大理论与技术的完善，有赖于对发酵过程的本质的深入了解。
发酵工程中所用的比拟放大方法有：等KLa，等πDN，等Pg/V，等Re或动量因子，相似的混合时间等。
四发酵过程的控制和监测4.1、发酵过程的监测内容与方式发酵过程的参数检测意义在发酵过程中，过程状态经历着不断的变化，尤其是批发酵这种状态的变化更快。
底物和营养物由于生物活性而变化，生物量的增加和生物量组成也在变化(包括物理、生化和形态学上的变化），而各种具有生物活性的产物被积累,发酵过程检测和控制的目的就是利用尽量少的原料而获得最大的所需产物。
（一）发酵过程监控的主要指标1．物理检测指标：温度；压力；搅拌转速；功耗；泡沫；气体流速；粘度等。
第七章发酵罐的比拟放大PPT课件
通用式（机械搅拌）、伍式、自吸式发酵罐 2）外部液体搅拌发酵罐 3） 空气喷射提升式发酵罐
高位塔式发酵罐
10
3、 按容积分类
❖ 500L以下的是实验室发酵罐 ❖ 500-50000L是中试发酵罐 ❖ 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
❖ 分批发酵和连续发酵
11
四、 机械搅拌发酵罐
（一）、 基本要求： 1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的压力 3）搅拌通风装置 4）足够的冷却面积 5）罐内要减少死角 6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露
12
标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.7-4 d/D=1/2-1/3 W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2
高氧的传质效率 ❖ 使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮
状态 ❖ 使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，
希望以径向液流为主 ❖ 在搅拌轴上配置多个搅拌器
18
轴向式 搅拌器
径向式 搅拌器
19
4) 档板
❖ ※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧速
率 ❖ 从液面至罐底 ❖ 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防
第七章 发酵罐的比 拟放大
1
发酵设备
❖ 什么是发酵设备？包括那些设备？ ❖ 种子制备设备 ❖ 主发酵设备 ❖ 辅助设备（无菌空气和培养基制备） ❖ 发酵液预处理设备 ❖ 产品提取与精致设备 ❖ 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
2
❖ 主发酵设备或称为发酵罐 ❖ 是发酵工程中最重要的设备之一
3
5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等
高位塔式发酵罐
10
3、 按容积分类
❖ 500L以下的是实验室发酵罐 ❖ 500-50000L是中试发酵罐 ❖ 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
❖ 分批发酵和连续发酵
11
四、 机械搅拌发酵罐
（一）、 基本要求： 1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的压力 3）搅拌通风装置 4）足够的冷却面积 5）罐内要减少死角 6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露
12
标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.7-4 d/D=1/2-1/3 W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2
高氧的传质效率 ❖ 使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮
状态 ❖ 使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，
希望以径向液流为主 ❖ 在搅拌轴上配置多个搅拌器
18
轴向式 搅拌器
径向式 搅拌器
19
4) 档板
❖ ※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧速
率 ❖ 从液面至罐底 ❖ 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防
第七章 发酵罐的比 拟放大
1
发酵设备
❖ 什么是发酵设备？包括那些设备？ ❖ 种子制备设备 ❖ 主发酵设备 ❖ 辅助设备（无菌空气和培养基制备） ❖ 发酵液预处理设备 ❖ 产品提取与精致设备 ❖ 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
2
❖ 主发酵设备或称为发酵罐 ❖ 是发酵工程中最重要的设备之一
3
5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等
发酵罐的比拟放大
ωg＝Qg/(π/4·D2)＝0.06/ (3.14/4×0.3752) =0.546 m/min=54.6 cm/min
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
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
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
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
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
比拟放大
HL2=(HL1/D1)×D2=(0.5625/0.375)×2.19=3.29m
Di2=D2/(D1/Di1)=2.19/(0.375/0.125)=0.73m
23
• (3)决定通风量Q2
根据式(7-5)有：
(Q/V)2=(HL1/HL2)2/3(Q/V)1=(0.5625/3.29)2/3×1.0=0.308m3/m3· min Q2=(Q/V)2· V2=0.308×12=3.7m3/min
• 放大计算
Q DVS V D VS
Q V VS D
VS2 VS1 D2 D1
• 若氧利用率相同时，可按此进行 • 实际结果往往偏大
9
（二）按通风线速度VS相等放大
• VS的意义
– 通风强度 – 通风搅拌的强弱
• 放大计算
3 Q2 Q1 D22 D12 D2 D13 D1 D2 V2 V1 D1 D2
• 确定的最适实验条件为：装料体积V1=60L，装料高度HL=562.5mm，通
• 通过实验，认为此菌株是高耗氧速率菌，试按等Kd值进行比拟放大。
21
• ［解］将不同操作条件下所得Kd值用各溶氧系数计算式试
算后，发现福氏公式大致适用，因此选择此公式为计算Kd 值的关系式
• (1)确定基本数据
V01=100L=0.1m3，ρ=1020kg/m3，μ=2.25×10-3N· S/m2 D1=0.375m，H1/D1=2.4，Di1=125mm=0.125m，Wb=0.0375m，V02=20m3 V1=60L=0.06m3，HL1=0.5625m，(Q/V)1=1.0m3/m3· min n1=350r/min=5.83r/s，Kd=6.2×10-6molO2/mL· min· atm(p) 体积放大倍数V2/V1=V02/V01=20/0.1=200 放大比D2/D1=(V2/V1)1/3=2001/3=5.85 装料系数η=V1/V01=60/100=0.60 V1 (Q V )1 0.06 1.0 空截面空气线速度VS1=通风量/截面积 D 2 4 0.785 0.3752 0.543 m min 1 3 通风量Q1=V1×(Q/V)1=0.06×1.0=0.06m /min=60000mL/min 搅拌雷诺准数Re1=nDi12ρ/μ=5.83×0.1252×1020/2.25×10-3=4.13×104
第七章 生物反应器及其工程放大7
7.6.2 通风发酵罐的放大 7-7生物反应器的比拟放大
例题：有一5m3 生物反应器，罐径为 1.4m，装液量4m3 ，液深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 1:0.2 ，发酵液密度为 1040kg/m3 ，发酵液粘度为1.06×10-3Pa· s，现 需放大至 50m3 罐进行生产，试求大罐尺寸和 主要工艺条件。
PG 有Moo-Young提出的计算的kLa方程式 k a 0.025 L V L 可知，大小罐的气体空塔速度也相等。
0.4
w s 0.5
思考题
通用式发酵罐放大时，放大比例一般为10，若放大前后以 下参数中的一个保持一定不变，其余参数将如何变化？ (1)Pg/VL（单位体积功耗）；(2)N（搅拌转速）；(3)NDi（搅 拌浆顶端线速度）；（4）Di2Nρ/μ（搅拌雷诺准数）。
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
生物反应器放大的目的及方法 生物反应器放大的目的 一种生物制品的生产在实验室的小的生物反应器中取得 了好的成绩，如何将这种效果在大型反应器中实现，这就是 生物反应器放大要解决的问题。
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大 7-7 生物反应器的比拟放大
计算流体力学法 任何流体的流动都服从动量、质量和能量守恒原理，这些 原理可由数学模型来表达。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics-CFD)的方法就是用电子计算机和离散化的数值方法 对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个流体力学新分支。 该方法具有与反应器规模及几何尺寸无关的潜在优点，并克服 了经验关联及流体结构模型所固有的缺点。但由于SBR中的流 动常具有三维性、随机性、非线性及边界条件的不确定性，使 得同时考虑气液固多相流动及其对生化反应的相互作用及实际 发酵物系的实验验证等存在很多困难。
第七章 生物反应器的放大讲解
( 3.4 )5 3.58
1080
62.7KW
而实际装液量为75%，HL=8.54m,D/d=3.58,
H L 8.54 8.99 d 0.95
P10
1 3
(D)*(HL
d
d
) * P0
1 3
3.58 8.99 62.7 119KW
选用三层搅拌器，m=3,
P30 P10(0.4 0.6m) 119 (0.4 0.63) 262KW
a exp(bQg ),
a, b为与气体流速和搅拌器直径有关的系数
例题
• 采用100m3机械搅拌通风式发酵罐进行谷氨酸发酵，已知
发酵液密度＝1080Kg / m3，粘度为＝210－3 Pa s,
D 3.4m, D / d 3.58, H 10m, H L 8.54m,装液量为75%，采用 六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，三组，转数n 150r / min ， 通风比为Q＝0.2v v m, 求Pg
3、无通气时非牛顿型流体的搅拌轴功率
• 非顿型流体的，特别是高黏度流体要达到充分的湍流状态几乎是不可能的，
而功率准数总是和Re相关。
Re
Nd 2L a
• 对于细胞反应，大部分流体为拟塑性流体，又称为幂律流体，其表现粘度可 表示为：
a
K
n1, Re
Nd 2L K n1
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验， 找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
3）按几何相似原则确定大罐尺寸：
取H/D=2.4,HL/D=1.5,D/d=3，有效容积60%，忽略封底 容积，则液体体积为
第七章--生物反应器的放大与控制
第七章生物反应器的放大与控制生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益。
因此，一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试，适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。
随着生物产品的生产规模增大，生物加工过程中的关键设备——生物反应器也逐渐增大。
生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。
从小型的实验室生物反应器到生产规模的生物反应器，离不开工艺条件和参数优化。
这时，就要对生物反应器的多项参数进行检测，利用自动化技术实现生物反应过程的最优控制。
本章就生物反应器的放大与计算、生物反应过程的参数检测与控制作一阐述。
第一节生物反应器的放大生物反应过程的工艺和设备改进的研究，首先在小型设备中进行，然后再逐渐放大到较大的设备中进行。
然而在实践中往往是小罐中获得的规律和数据，常常不能在大罐中再现。
这就涉及反应器放大的问题。
生物反应器的放大是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物反应过程放大的含义。
它是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。
反应器的放大涉及内容较多。
除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容，诸如：反应动力学，传递和流体流动的机理等。
因此，它是一个十分复杂的过程。
目前反应器的放大方法主要有：经验放大法、因次分析法、时间常数法和数学模拟法。
一、经验放大法经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法。
这些规律多半是定性的，仅有一些简单的、粗糙的定量概念。
由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解，因而放大比例一般较小，并且此法不够精确。
但是对于目前还难进行理论解析的领域，还要依靠经验放大法。
对于生物反应器来说，到目前为止，应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计。
下面介绍一下具体的经验放大原则：（一）几何相似放大生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大。
第七章比拟放大
第七章比拟放大
生物反应器的放大目的及方法
•经验放大原则
表2 通气发酵罐放大准则
放大准则 所占比例(%)
放大准则
维持P0/V不变
30
维持搅拌器叶尖线速度不变
维持kLa不变
30维持培养液ຫໍສະໝຸດ 氧浓度不变所占比例(%) 20 20
第七章比拟放大
●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 接入的方式、种龄、种量、培养基成分及添加方式、pH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， 工程上的可靠性远较化工过程的比拟放大为差。
❖ 至于搅拌雷诺准数Re、搅拌器末端线速度nDi和单位液体的搅拌 循环流量F/V，一般仅作为放大设计的基本参考数据，只在特殊 场合下才用作比拟放大的依据。
第七章比拟放大
以体积溶氧系数相等为基准的比拟放大法
❖ 以体积溶氧系数KLa为基准进行比拟放大必须已知小型试验条件 下溶氧系数的大小和适合于放大设备的溶氧系数计算式。由于 适应范围较广的溶氧系数计算式大多是用亚硫酸盐氧化法测定 的结果，因而小试条件下的溶氧系数也用亚硫酸盐氧化法测定。 当然用此法测定的溶氧系数只具有相对的意义，并不代表实际 发酵时的溶氧系数。
➢ 为什么生化反应器的放大比较困难?
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 环境会有所差异。 放大规模的改变会导致生化反应器中物理环境的改变，这 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 伤或破坏，细胞对在不同放大规模下不同培养环境的代谢响 应会有所差异。
生物反应器的放大目的及方法
•经验放大原则
表2 通气发酵罐放大准则
放大准则 所占比例(%)
放大准则
维持P0/V不变
30
维持搅拌器叶尖线速度不变
维持kLa不变
30维持培养液ຫໍສະໝຸດ 氧浓度不变所占比例(%) 20 20
第七章比拟放大
●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 接入的方式、种龄、种量、培养基成分及添加方式、pH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， 工程上的可靠性远较化工过程的比拟放大为差。
❖ 至于搅拌雷诺准数Re、搅拌器末端线速度nDi和单位液体的搅拌 循环流量F/V，一般仅作为放大设计的基本参考数据，只在特殊 场合下才用作比拟放大的依据。
第七章比拟放大
以体积溶氧系数相等为基准的比拟放大法
❖ 以体积溶氧系数KLa为基准进行比拟放大必须已知小型试验条件 下溶氧系数的大小和适合于放大设备的溶氧系数计算式。由于 适应范围较广的溶氧系数计算式大多是用亚硫酸盐氧化法测定 的结果，因而小试条件下的溶氧系数也用亚硫酸盐氧化法测定。 当然用此法测定的溶氧系数只具有相对的意义，并不代表实际 发酵时的溶氧系数。
➢ 为什么生化反应器的放大比较困难?
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 环境会有所差异。 放大规模的改变会导致生化反应器中物理环境的改变，这 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 伤或破坏，细胞对在不同放大规模下不同培养环境的代谢响 应会有所差异。
生物反应器比拟放大课件
n2
n1 (
D1 D2
)0.75
(QG2 )0.08 QG1
Pg2
Pg1
(
D2 D1
)2.77
( QG2 )0.24 QG1
（三）以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为 基准的放大法
在耗氧发酵过程中，由于培养液中的溶解 度很低，生物反应很容易因反应器溶氧能 力的限制受到影响，所以以反应器KLa的 相同作为放大准则，可以收到较好的效果。
全混式流动：指反应器混合足够强烈， 因而反应器内浓度分布均匀，且不随时 间而变化。
（2）非理想型 具有返混的管型反应器等
二、酶反应器设计和操作的参数
停留时间τ 停留时间τ：指反应物料进入反应器
至离开反应器止所经历的时间 对于CSTR，常用平均停留时间
τ＝V / F
=反应器容积/物料的体积流量
多相系统 搅拌罐 酶反应器
固定床填充床
流化床 膜反应器 悬浊气泡塔
分批、流加 分批、流加或连
续 分批、流加或连
续 连续
分批、连续 连续 分批、连续
靠机械搅拌混合 适用于高分子底物
靠机械搅拌混合
适用于固定床酶 或微生物反应中 靠溶液的流动混合 膜状或片状固定化 适于气体为底物
2．连续式酶反应器的流动状态
二、单底物酶促反应动力学
1、米氏方程
根据“酶-底物中间复合体” 的假设，对 酶E催化底物S生成产物P的反应S→P，其 反应机制可表示为
k+1
k+2
E + S ES
E+P
k-1
E [S] X [P]
k+1 k-1 k+2-----相应各步的反应速度常数 E [S] X [P]----对应物质的浓度
7-发酵罐的放大设计
7.3 发酵罐放大设计方法
一、以kLa为基准的比拟放大 在生物反应器的放大中，通常保持体积 氧传递系数(体积溶氧系数)的恒定。这巳 由需氧发酵的工业生产结果得到证实。 现在的主要问题是如何提供足够的氧。 虽然足够的氧供给并不意味着良好的混 合。
※发酵液的溶氧传质速率(OTR)
OTR=kl a c c 式中 kl a－以 c c 为推动力的 体积溶氧系数， 1/ h或1/ s; c－发酵液中溶氧浓度，mol/m3； c－相同温度和压强下 发酵液的饱和溶氧浓度，mol/m3 一般情况下 则 c 5％～10％c OTR 0.95kl a
7.4 发酵罐设计步骤
1、设计任务与要求 2、设计说明及计算 ⑴物料衡算及热量衡算、反应器尺寸； ⑵反应器的初步设计计算； ⑶发酵工艺改进规划； ⑷优化设计； ⑸有关改进设计的补充说明。
7.5 发酵罐设计时应该注意的几个问题：
1、培养系统的已灭菌部分与末灭菌部分之 间不能直接连通，与发酵罐相通的任何 连接都应蒸汽密封，防止死角、裂缝等； 2、某些部分应能单独灭菌； 3、尽可能采用全部焊接结构，尽量减少法 兰连接； 4、设备和管道易于清洗和维修； 5、反应器应保持正压。
第七章 发酵罐的放大设计
7.1 发酵罐设计的目标
1、严密的结构，较好的无菌条件，良好的液 体混合性能，较高的传质、传热性能； 2、产品的质量高、成本低，适合工艺要求； 3、好的过程控制，配套而又可靠的检测和控 制仪表，多样化、大型化和高度自动化。
7.2 发酵罐的设计依据
1、生物反应动力学，它是进行生物反应器定量 研究的基础； 2、流体的输送及混合，核心问题是流体之间动 量的传递、机械能的守恒和转化； 3、热量的传递，主要是考虑发酵热的传出及发 酵罐温度的控制； 4、物质的传递，主要有细胞内外物质的交换、 营养物到细胞的传递、氧从气泡到细胞的传递、 二氧化碳从细胞到气泡的传递。 （生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质 和传热。）
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安装在泡装置为耙式消泡 器，可直接安装在上搅拌的轴上， 消泡耙齿底部应比发酵液面高出适 当高度。安装在发酵罐内转动轴的 上部的消泡器有齿式、梳式、孔板 式、旋浆梳式等
消泡器的安装
安装在发酵罐外的消泡器
安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、 旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、 碟片式消泡器和刮板式消泡器等 。 旋风离心式消泡器 改进的旋风离心式消泡器，它可以和消 泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡 沫情况自动添加消泡剂
2、自吸式发酵罐
非循环机械搅拌
自吸式发酵罐的充气原理
自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅 拌器及导轮，简称为转子及定子。转 子由箱底向上升入的主轴带动，当转 子转动时空气则由导气管吸入。 转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶 轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形。
四弯叶轮
定子
六直叶轮
自吸式发酵罐的优点： 节约空气净化系统设备(空气压缩机、冷却器、 油水分离器、空气贮聪、总过滤器等)，减少厂 房占地面积。 减少工厂发酵设备投资约30％左右，例如应用自 吸式发酵罐生产酵母，容积酵母的产量可高达 30~50克。 设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少 劳动力。 酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵 母后的废液量少。 设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。
圆柱形，两端椭圆形，受力均匀，减少死角，物 料容易排除， 高度与直径比1.7-4：1，有力于空气利用率
已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管
2、罐体表面各种装臵：
中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔 罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或 蒸汽吹管
罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、 压力表接管 罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管 和测控仪器接口
圆盘平直叶
圆盘弯叶
圆盘箭叶
凹叶圆盘
圆盘平直叶具有很大的 循环输送量和功率输出， 适用于各种流体。 在混合要求特别高，溶 氧速率相对要求略低时， 可用圆盘弯叶。
圆盘箭叶轴向流动较强 烈，输出功率较低。
凹叶圆盘能耗低，缩短 混合时间。
（二）、搅拌器的流型
搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合效果及 氧气的溶解、热量的传递具有密切关系。 搅拌器造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受 罐内的附件及其安装位置的影响。
第七章 发酵罐的比 拟放大
发酵设备
什么是发酵设备？包括那些设备？ 种子制备设备 主发酵设备 辅助设备（无菌空气和培养基制备） 发酵液预处理设备 产品提取与精致设备 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
主发酵设备或称为发酵罐
是发酵工程中最重要的设备之一
优良的发酵设备应具有的特性
缺点： 罐内形成负压，增加染菌机会 搅拌速度高，使菌丝容易被切断，影响丝状微生 物的正常生长
3 、 伍 式 发 酵 罐
循 环 机 械 搅 拌
4、气（带）升式发酵罐
在罐外装设上升管，上升管两 端与罐底及罐上部相连接，构 成一个循环系统，设备构造比 较复杂，动能消耗较太。 在上升管的下 部装设空气喷嘴， 以250-300 m/s的高速喷入上升 管 借助喷嘴的作用将空气分散 分为内环流式和外环流式两种
8、 换热装臵 ※进行加热或冷却，维持发酵温度 夹套式换热装臵 蛇管换热装臵
酒 精 发 酵 罐 的 结 构
、 液 体 深 层 厌 气 发 酵 设 备
五 、 其 他 类 型 发 酵 罐
1
啤酒发酵设备
日本的朝日罐（Asaki tank,1965年），美国的 通用罐（uni-tank,1968年），西班牙的球形罐 （SpHero tank,1975年），迄今为止，使用的 大型发酵罐容量已达1500t。
气升式发酵罐的特点
结构简单，冷却面积小； 无搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材； 操作时无噪音； 料液装料系数达80~90％，而不须加消泡剂； 维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。 但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度 较大的发酵液溶氧系数较低。
典型气升式发酵罐
hb : 椭圆封头的直边高度 D : 罐的内径
罐身容积计算：
V1 H0 D
1 4
2
封头的容积的计算 椭圆形封头的容积可查手册或按下式计算：
2 2 2 1 3 V2 D h D h D ( h b a b 4 6 4 6 D ) ≌0.15D 式中 ha : 椭圆短半轴长度，对标 准椭圆型封头 ha 1 4 D
5、文氏管发酵罐
非 循 环 通 气 搅 拌
6
、 塔 式 发 酵 罐
7、动植物细胞反应器
§2 搅拌器的形式和轴功率计算
一、搅拌器（浆）的形式 二、搅拌器轴功率的计算 三、非牛顿型流体的搅拌轴功率
一、搅拌器（浆）的形式
1、搅拌器的形式 轴向流搅拌器—螺旋桨式 径向流搅拌器 —圆盘平直叶涡轮搅拌器 圆盘弯叶 圆盘箭叶 凹叶圆盘
1、单只涡轮不通气时的功率计算
ND2ρ ReM = μ
（W ）
2、多只涡轮不通气时的功率计算
3、通气情况下搅拌功率的计算
三、
§3 发酵罐的比拟放大
一、发酵罐的结构尺寸计算 二、发酵罐的放大
一、发酵罐的结构尺寸计算
公称容积：罐身容积 与一个底封头容积的 和 全容积：罐身容积和 上下两个底封头容积 的和 有效容积：装料容积
标准发酵罐的几何尺寸
H/D=1.7-4
d/D=1/2-1/3
W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2
※（二）、机械搅拌式发酵罐的结构：
1、罐体：
培养微生物的巨大容器，密闭式的，在发酵过程 中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为 2.5×105Pa
严密的结构 良好的液体混合性能 较高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表
本章内容
§1 发酵罐的结构 §2 搅拌器的形式和轴功率计算 §3 发酵罐的比拟放大
§1 发酵罐的结构
发酵罐的基本概念 发展过程 发酵设备的类型 机械搅拌发酵罐 其他类型的发酵罐
一、发酵罐的基本概念
1、泡沫不 多，无 需加消 泡剂。
2、泡沫累 3、消泡结 积，触 束后， 动传感 不再触 器，起 动传感 动消泡 器，不 泵加入 再加入 消泡剂。 消泡剂。
碟片式消泡器
碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，当泡沫溢 上与碟片式消泡器接触时，泡沫受高速旋转 离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液 态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气 孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐 中而达到消泡目的。 碟片数目为4-6个，碟片的斜角约为35度，两 碟片之间的间距约为10mm，碟片上有梳状筋 条高约8mm,这些碟片叠臵起来组成碟片组。 碟片组被通气压环压紧在空心轴上，空心轴 通过传动机构转动，转速可达1400rpm,碟片 式消泡器装在发酵罐的顶部，转轴通过两个 轴封与发酵罐及排气管连接。
速率
从液面至罐底 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防 止物料与菌体堆积
※全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附 件而轴功率仍保持不变。
全挡板条件下的搅拌流型
竖立的列管/排管也可以起挡板作用
5)
消泡器
※将泡沫打破 锯齿式、梳状式及孔板式 装于搅拌轴上，齿面略高于液面 直径罐径的0.8-0.9
开始应用
3）1940-1960，青霉素，通风， 无菌操作，纯培养等一系列技
术开始应用，计算机用于发酵 控制，产物分离纯化商业化
4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80150m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气
体交换和热交换问题，计算机广泛应用
5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等 基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展
发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵 工业的心脏 广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的 操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵 中一般指进行微生物深层培养的设备 在有些情况下，密闭容器，简单容器
二、发展过程
1）1900年以前，木制容器造酒 2）1900-1940，钢制发酵罐，开 始使用空气分布器，机械搅拌
高位塔式发酵罐
3、 按容积分类
500L以下的是实验室发酵罐 500-50000L是中试发酵罐 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
分批发酵和连续发酵
四、 机械搅拌发酵罐
（一）、 基本要求： 1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的压力 3）搅拌通风装臵 4）足够的冷却面积 5）罐内要减少死角 6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露
二、搅拌器轴功率的计算
搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以既定的速度旋转 时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包 括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功 率或耗用功率。 机械搅拌发酵罐中的搅拌器轴功率与下列因素有关：搅拌器 直径d(m）、搅拌转速n（r/min）、液体密度ρ（kg/m3）、 液体粘度μ（Pa· s）、重力加速度g（m/s2）、搅拌罐直径 D（m）、液柱高度HL（m）以及档板条件(数量、宽度和位 置)等。
6、连轴器及轴承