生化工程,第七章反应器放大与设计

第七章：反应器放大与设计

Artist's rendition new Folsom plant

of

the

Kikkoman Foods, Inc., a soy sauce production facility, is established in Walworth, Wisconsin (U.S.).

Kikkoman's second U.S. plant in California

珠江桥酱油研发中心

TANK FARM SUPPLIED WITH 171 TANK TOPS.= 45 STORAGE - FERMENTATION AREA = 63 BBT = 11 - STORAGE AREA = 12 FILTRATION - FILTRATION AREA - BRIGHT BEER AREA = 40 - YEAST AREA

YEAST AREA

FERMENTATIO N

Korea

生化反应器的放大

工程放大小试

摇瓶试验

工业化生产

中试

生物反应特点 综合性学科 采用生物催化剂 原料为可再生资源 反应条件温和 产物浓度较低生物化工 (生物反应工程)

生物学

工程学

化学

生物反应动力学 研究生物反应过程的速率及其影响因素 包括两个层次– 本征动力学(微观动力学) – 反应器动力学(宏观动力学)传递因素

传递对反应速率的影响反应体系： A + B

E

C

A

B

E

A, B, E

生物反应器 生物反应器的传递特性(传质、传热、动量 传递) 生物反应器的设计与放大

反应器的类型 搅拌槽式反应器 管式反应器 气体搅拌塔式反应器(气升式反应器) 动、植物细胞培养反应器

贴壁培养

光合作用

生物反应器的优化与控制

7.1 非理想流动反应器 在小规模的实验室条件下全混流模型 理想模型 活塞流模型

在大规模的生产过程中涉及到许多非理想的条件. 在这一节中,我们将考察实际反应器中有关 混合 表征 的方法,

流动模型

以及这些表征方法在反应器设计中的应用.

反应器的一些基本类型

机械搅拌罐 鼓泡塔, 依靠气体的喷射搅动液体

Stirred Tank

Bubble Tank

气升式反应器 液体的混合与循环是通过气体的喷射、搅拌浆或两者兼之而进行的。

External Loop Tank

Internal Loop Tank

7.2 搅拌罐中液体的混合时间 定义

混合时间(tm): 在某一时间极快地向反应器入口流中加入一

定量的示踪剂，为达到一定混合程度(均一性) m时所需的 时间。

混合程度(m): 对液相体系

S S0 m S S0

S:时间为tm时的示踪剂浓度 S0:初始示踪剂浓度 S∞:时间趋于∞时的示踪剂浓度

示踪剂 可以是一种 盐溶液, 酸, 碱, 水溶性的染料.

混合时间可以通过连续地 监测反应器中某一处或某

几处位置的示踪剂浓度的变化过程而得到。

Start

After a while

不同类型的 反应器, 搅拌器 会产生不同的流型和不同的混 合时间特征。 在不同工况条件下的一些混合时间数据体积小的反应器中 2~3 s

2.5~160 m3 发酵罐 1% 黄原胶溶液300 rpm, no air flow 500 rpm, 0.25% air flow

29~104 s6 min 1 min

混合时间的测定检测到四次 循环

输出信号 测定装

置 (tC: 循环时间; tM: 混合时间)

很多档板，小搅拌浆

从图中可以提出, 示踪剂浓度的周期性变化较为明显, 这意 味着反应器中的流体在达到组成均一之前，往往会发生数 次循环流动。

§7.3 停留时间分布

(Residence Time Distribution, RTD)

想象一下，当一定体积的流体进入连续操作的反 应器之后会发生什么情况? 由于反应器中的搅拌作用, 这一流体将会破裂成更 小的流体,并在反应器中发生分散或混合。因此, 其中一部分流体会很快地流出反应器, 而另一部分流 体会较慢地流出反应器, 从而造成同时进入反应器的流体会 在不同时间流出反应器. 出口处流出的流体是由反应器中不同停留时间的微元流体组 成的混合流体。