發(fā)酵罐過程放大設(shè)計演講人：日期:CATALOGUE目錄01放大設(shè)計基礎(chǔ)原理02關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)分析03過程放大策略選擇04過程控制技術(shù)應(yīng)用05放大驗證流程設(shè)計06工業(yè)應(yīng)用場景案例01放大設(shè)計基礎(chǔ)原理生物反應(yīng)過程放大效應(yīng)生物量濃度增加混合均勻度下降氧氣傳質(zhì)受限熱效應(yīng)顯著生物反應(yīng)過程中，反應(yīng)物濃度增加，生物量濃度隨之增加，反應(yīng)速率加快。隨著規(guī)模放大，氧氣從氣相到液相的傳質(zhì)過程受到限制，需優(yōu)化氧傳遞效率。大規(guī)模反應(yīng)器中，混合均勻度下降，可能導致底物濃度梯度增加，影響產(chǎn)物合成。放大過程中，生物反應(yīng)產(chǎn)生的熱量顯著增加，散熱問題成為關(guān)鍵因素。幾何相似與動力相似準則幾何相似動力相似攪拌與通氣設(shè)計流體動力學模擬放大設(shè)計時，應(yīng)保持設(shè)備與原型的幾何形狀相似，以確保流體動力學特性一致。在幾何相似的基礎(chǔ)上，還需保證流體動力學特征相似，如雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。針對大規(guī)模反應(yīng)器，需優(yōu)化攪拌和通氣設(shè)計，以強化傳質(zhì)與傳熱效果。應(yīng)用計算流體動力學(CFD)模擬放大過程中的流體行為，指導設(shè)備設(shè)計。數(shù)學模型構(gòu)建方法經(jīng)驗?zāi)Ｐ突趯嶒灁?shù)據(jù)，建立關(guān)鍵參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系式，適用于特定條件下的放大設(shè)計。02040301數(shù)值模擬應(yīng)用計算流體力學(CFD)等數(shù)值模擬方法，模擬放大過程中的流體流動、傳質(zhì)與傳熱等過程。機制模型根據(jù)生物反應(yīng)機理，建立反應(yīng)動力學模型，預(yù)測不同條件下的反應(yīng)過程。人工智能模型利用機器學習等人工智能算法，對大量實驗數(shù)據(jù)進行訓練，構(gòu)建預(yù)測性能更好的放大設(shè)計模型。02關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)分析罐體幾何尺寸優(yōu)化優(yōu)化罐體高度與直徑比，以平衡發(fā)酵液壓力、混合均勻度和能耗。罐體高度與直徑比根據(jù)發(fā)酵液特性和工藝要求，選擇合適的罐體形狀，如圓柱形、橢圓形等。罐體形狀根據(jù)發(fā)酵過程中罐體承受的壓力和溫度，合理設(shè)計罐體壁厚，確保安全性。罐體壁厚傳質(zhì)傳熱效率控制物料流動考慮物料在罐內(nèi)的流動方式，避免物料積聚和死區(qū)，提高傳質(zhì)效率。03合理設(shè)計夾套或蛇管等傳熱裝置，提高傳熱效率，保證發(fā)酵液溫度均勻。02傳熱面積攪拌器設(shè)計選擇適當?shù)臄嚢杵黝愋秃退俣龋蕴岣呋旌闲Ч蛡鳠嵝省?1攪拌系統(tǒng)功率匹配攪拌器功率根據(jù)攪拌器類型和罐體尺寸，計算所需的攪拌功率，確保攪拌效果。01電機選型根據(jù)攪拌功率和工藝要求，選擇合適的電機類型和功率。02攪拌系統(tǒng)能耗考慮攪拌系統(tǒng)的能耗，優(yōu)化攪拌器設(shè)計和電機匹配，降低能耗成本。0303過程放大策略選擇逐級放大參數(shù)調(diào)整幾何尺寸攪拌器類型通氣與壓力加熱與冷卻系統(tǒng)增加發(fā)酵罐直徑、高度，確保放大后的設(shè)備能夠容納更多的物料。選擇適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的攪拌器，如三葉攪拌器、螺旋攪拌器等，確保物料混合均勻。增加通氣量和壓力，確保放大后的發(fā)酵罐內(nèi)氧氣充足，滿足微生物生長需求。設(shè)計高效的加熱與冷卻系統(tǒng)，確保放大后的發(fā)酵罐溫度能夠控制在適宜范圍內(nèi)。混合時間與氧傳遞平衡增加攪拌器轉(zhuǎn)速和攪拌時間，確保物料在發(fā)酵罐內(nèi)充分混合，提高發(fā)酵效率。混合時間優(yōu)化通氣方式，如采用多孔管、微孔曝氣器等，提高氧傳遞效率，滿足微生物生長需求。氧傳遞合理控制攪拌器轉(zhuǎn)速和攪拌形式，避免產(chǎn)生過大的剪切力，影響微生物生長和代謝。剪切力放大后的發(fā)酵罐體積增大，設(shè)備投資成本相應(yīng)增加，需評估設(shè)備投資的合理性。放大后的發(fā)酵過程需要更多的物料、能源和水資源，生產(chǎn)成本隨之增加，需考慮成本控制措施。放大后的發(fā)酵過程能夠生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品收益，需評估產(chǎn)品收益與成本之間的平衡。放大后的發(fā)酵過程需要更多的操作人員和管理人員，人員成本相應(yīng)增加，需評估人員成本對總成本的影響。經(jīng)濟性成本對比分析設(shè)備投資生產(chǎn)成本產(chǎn)品收益人員成本04過程控制技術(shù)應(yīng)用在線監(jiān)測參數(shù)設(shè)置6px6px6px實時監(jiān)測發(fā)酵過程中的溫度，確保溫度控制在微生物生長和代謝的最適范圍內(nèi)。溫度監(jiān)測測量發(fā)酵液中溶解氧的含量，確保微生物在有氧或無氧環(huán)境下正常生長。溶解氧濃度監(jiān)測監(jiān)測發(fā)酵液中的pH值，以調(diào)節(jié)酸度或堿度，保證微生物的生長環(huán)境。pH值監(jiān)測010302實時監(jiān)測發(fā)酵罐內(nèi)液位高度，防止溢料或干底。液位監(jiān)測04自動化控制系統(tǒng)集成傳感器與執(zhí)行器將溫度傳感器、pH計、溶解氧電極等檢測元件與執(zhí)行器（如調(diào)節(jié)閥、攪拌器等）集成，實現(xiàn)自動化控制。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控自動化報警與應(yīng)急響應(yīng)通過SCADA系統(tǒng)實時采集和監(jiān)控發(fā)酵過程中的各類參數(shù)，并進行數(shù)據(jù)處理和分析。當發(fā)酵過程出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動報警并啟動應(yīng)急響應(yīng)程序，降低損失。123異常工況處理機制異常情況識別通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，識別發(fā)酵過程中的異常情況，如溫度波動、pH值偏離等。01故障診斷與排除根據(jù)異常情況，進行故障診斷并快速排除，確保發(fā)酵過程穩(wěn)定進行。02應(yīng)急措施與恢復(fù)制定應(yīng)急處理預(yù)案，當異常情況無法排除時，采取緊急措施保護設(shè)備和產(chǎn)品，并盡快恢復(fù)生產(chǎn)。0305放大驗證流程設(shè)計中試平臺實驗驗證確保中試平臺與生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐在幾何尺寸上保持一定的比例關(guān)系，以便驗證放大后的生產(chǎn)過程。幾何放大工藝流程驗證控制系統(tǒng)驗證在中試平臺上模擬生產(chǎn)規(guī)模的工藝流程，驗證流程的可行性和穩(wěn)定性。測試并驗證中試平臺的控制系統(tǒng)，確保其對溫度、壓力、攪拌等關(guān)鍵參數(shù)的精確控制。生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比分析收集中試平臺和生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵過程數(shù)據(jù)，包括溫度、pH值、溶解氧等關(guān)鍵參數(shù)。發(fā)酵過程數(shù)據(jù)對比中試平臺和生產(chǎn)規(guī)模所得到的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括純度、收率、生物活性等指標。產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)對比中試平臺和生產(chǎn)規(guī)模的能耗數(shù)據(jù)，評估放大后的能效狀況。能耗數(shù)據(jù)工程化問題修正方案攪拌系統(tǒng)優(yōu)化熱量傳遞與溫控系統(tǒng)改進氧傳遞系統(tǒng)改進根據(jù)中試平臺的實驗結(jié)果，優(yōu)化生產(chǎn)規(guī)模的攪拌系統(tǒng)，提高混合效率和傳質(zhì)效果。針對中試平臺暴露出的氧傳遞問題，提出生產(chǎn)規(guī)模的改進措施，如優(yōu)化通氣方式、增加氧傳遞面積等。根據(jù)中試平臺的實驗結(jié)果，優(yōu)化生產(chǎn)規(guī)模的熱量傳遞和溫控系統(tǒng)，確保發(fā)酵過程中溫度的精確控制。06工業(yè)應(yīng)用場景案例生物制藥領(lǐng)域應(yīng)用抗體藥物生產(chǎn)通過細胞培養(yǎng)技術(shù)，利用發(fā)酵罐進行大規(guī)?？贵w藥物的生產(chǎn)，如單克隆抗體、重組蛋白等。01疫苗制備在疫苗制備過程中，發(fā)酵罐被廣泛應(yīng)用于病毒培養(yǎng)、抗原制備等環(huán)節(jié)，如流感病毒疫苗、乙肝疫苗等。02基因工程藥物生產(chǎn)利用發(fā)酵罐進行基因工程菌的大規(guī)模培養(yǎng)，生產(chǎn)基因治療藥物、基因重組蛋白等。03食品發(fā)酵產(chǎn)業(yè)實踐發(fā)酵罐在酒類生產(chǎn)中扮演重要角色，如啤酒、白酒、葡萄酒等，通過控制發(fā)酵條件實現(xiàn)酒的風味和品質(zhì)控制。酒類發(fā)酵乳制品制造食品添加劑生產(chǎn)發(fā)酵罐被廣泛應(yīng)用于乳制品的生產(chǎn)，如酸奶、發(fā)酵乳飲料等，通過乳酸菌發(fā)酵實現(xiàn)產(chǎn)品的獨特風味和質(zhì)地。如檸檬酸、乳酸等食品添加劑，通過發(fā)酵罐內(nèi)的微生物發(fā)酵過程，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。環(huán)保廢水處理工程污泥處理在廢水處理過程中，發(fā)酵罐