發(fā)酵罐的比擬放大

　　一、比擬放大的內(nèi)容：

　　罐的幾何尺寸，通風量，攪拌功率，傳熱面積和其他方面的放大問題，這些內(nèi)容都有一定的相互關(guān)系。

　　二、比擬放大的依據(jù)

　　1、單位體積液體的攪拌消耗功率

　　2、攪拌雷諾準數(shù)

　　3、溶氧系數(shù)

　　4、攪拌槳末端線速度

　　5、混合時間

　　6、通過反饋控制條件，盡可能使重要環(huán)境因子一致。

　　三 比擬放大和它的基本方法

　　比擬放大:是把小型設(shè)備中進行科學實驗所獲得的成果在大生產(chǎn)設(shè)備中予以再現(xiàn)的手段，它不是等比例放大， 而是以相似論的方法進行放大。

　　首先必須找出表征著此系統(tǒng)的各種參數(shù)，將它們組成幾個具有一定物理含義的無因次數(shù)，并建立它們間的函數(shù)式，然后用實驗的方法在試驗設(shè)備中求得此函數(shù)式中所包含的常數(shù)和指數(shù)，則此關(guān)系式在一定條件下便可用作為比似放大的依據(jù)。比擬放大是化工過程研究和生產(chǎn)中常用的基本方法之一。

　　在發(fā)酵工程中是否適用和發(fā)酵工程中所用的比擬放大方法

　　發(fā)酵過程是一個復雜的生物化學過程，影響這個過程的參數(shù)有物理的、化學的、生物的，有些雖然已經(jīng)被認識了，但目前還不能準確快速地測量，有些則尚未被認識。

　　現(xiàn)在只研究了少數(shù)參數(shù)對此過程的關(guān)系，而假定其它參數(shù)是不變的，實際上不可能都是不變的。因此發(fā)酵生產(chǎn)過程設(shè)備比似放大理論與技術(shù)的完善，有賴于對發(fā)酵過程的本質(zhì)的深入了解。

　　發(fā)酵工程中所用的比擬放大方法有：等 KLa, 等πDN, 等Pg/V, 等Re 或動量因子, 相似的混合時間等。

　　發(fā)酵過程的控制和監(jiān)測

　　一、發(fā)酵過程的監(jiān)測內(nèi)容與方式

　　發(fā)酵過程的參數(shù)檢測意義

　　在發(fā)酵過程中，過程狀態(tài)經(jīng)歷著不斷的變化，尤其是批發(fā)酵這種狀態(tài)的變化更快。

　　底物和營養(yǎng)物由于生物活性而變化，生物量的增加和生物量組成也在變化(包括物理、生化和形態(tài)學上的變化)，而各種具有生物活性的產(chǎn)物被積累。 發(fā)酵過程檢測和控制的目的就是利用盡量少的原料而獲得最大的所需產(chǎn)物。

　　(一)發(fā)酵過程監(jiān)控的主要指標

　　1.物理檢測指標：溫度;壓力;攪拌轉(zhuǎn)速;功耗;泡沫;氣體流速;粘度等。

　　2.化學檢測指標：pH ;氧化還原電位;溶解氧;氣體CO2、O2;糖含量;化合物含量等。

　　3.生物檢測指標：菌體濁度;ATP ;各種酶活力;中間代謝產(chǎn)物。

　　當然并非所有產(chǎn)品的發(fā)酵過程中都需檢測上述全部參數(shù)，而是根據(jù)該產(chǎn)品的特點和可能條件，有選擇地檢測部分參數(shù)。

　　(二 監(jiān)控方式

　　一般監(jiān)控系統(tǒng)包括3個部分。

　　1.測定元件：如溫度計、壓力表、電流計、pH 計直接測定發(fā)酵過程的各種參數(shù)，并輸出相應(yīng)信號。

　　2.控制部分：其功能主要是將測定元件測出的各種參數(shù)信號與預先確定值進行比較，并且輸出信號指令執(zhí)行元件進行調(diào)整控制。

　　3.執(zhí)行元件：它接受控制部分的指令開啟、或關(guān)閉有關(guān)閥門、泵、開關(guān)等調(diào)節(jié)控制機構(gòu)，使有關(guān)參數(shù)達到預定位置。

　　關(guān)于控制方式，有手動控制和自動控制兩類。

　　1.手動控制：這是最簡易的控制方法。例如，調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度，通過控制發(fā)酵罐夾套的冷卻水(或蒸汽 流量來調(diào)節(jié)發(fā)酵液的溫度。手動控制方法簡單，不需特殊的附加裝置，投資費用較少，勞動強度較大，控制的合適也可減少誤差。

　　2. 自動控制：采用自動控制時，必須使測定元件產(chǎn)生輸出信號并用儀表監(jiān)視。如測定溫度時，可用熱電偶代替溫度計，并與控制部分相連，控制部分再產(chǎn)生信號驅(qū)動執(zhí)行元件進行操作。

　　二、發(fā)酵過程的常規(guī)監(jiān)控

　　1.溫度

　　2.pH 值

　　3.泡沫

　　4.罐壓

　　5.空氣流量

　　6.攪拌轉(zhuǎn)速

　　1.溫度

　　由于微生物利用碳源、能源進行代謝活動能產(chǎn)生放熱反應(yīng)，

　　此外，攪拌也能產(chǎn)生一定熱量，因此發(fā)酵過程中升溫的快慢常?？梢宰鳛榕袛喟l(fā)酵速度的粗略參考。

　　發(fā)酵正常，菌體生長繁殖旺盛時自然升溫較快，發(fā)酵后期，升溫較緩慢，為了維持生長的適合溫度必須在發(fā)酵過程隨時調(diào)節(jié)發(fā)酵罐傳熱裝置內(nèi)冷卻水或蒸汽來維持發(fā)酵液的溫度。

　　最簡單的溫度測定方法是觀察發(fā)酵罐罐壁上的溫包內(nèi)的溫度計。然后，對照工藝規(guī)程，罐溫偏高時，開啟自來水(或冷卻水 的閥門，使發(fā)酵液溫度降至規(guī)定的溫度。升溫或降溫終了時，應(yīng)注意出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。適時合理的控制往往需要一定的經(jīng)驗和技巧。

　　溫度自控方法，可采用熱電偶或熱變電阻器或金屬電阻溫度計，這些熱敏

　　感元件都能將溫度變化轉(zhuǎn)變成電信號，然后與控制儀表相連，并且經(jīng)各類控制開關(guān)或回路將指令傳給執(zhí)執(zhí)行元件，同樣可以開啟或關(guān)閉冷卻或加熱裝置，使罐溫維持恒定。

　　2.pH 值

　　發(fā)酵過程中，培養(yǎng)基pH 的變化主要決定于培養(yǎng)基的成分和微生物的代謝特性，這是由于微生物不斷消耗和利用營養(yǎng)物質(zhì)，同時又分泌各種代謝產(chǎn)物到培養(yǎng)基中去的結(jié)果。

　　培養(yǎng)基的pH 值是反映了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)進行同化和異化作用后的最終氫離子濃度。

　　顯然在固定的培養(yǎng)條件下，微生物發(fā)酵過程中pH 的變化是有一定規(guī)律性的，掌握這種變化，對于判斷和控制發(fā)酵生產(chǎn)有相當重要的意義。

　　測定pH 的方法：

　　a. 通常可用pH 試紙測定;

　　b. 精確的則用pH 計測定。

　　目前已有可經(jīng)消毒的pH 電極裝入發(fā)酵罐內(nèi)定時直接測定培養(yǎng)基的pH ，同時還可以與控制儀表連結(jié)，通過回路系統(tǒng)控制閥門或泵進行pH 調(diào)節(jié)。

　　3.泡沫的檢測和控制

　　最簡單的檢測是定時在發(fā)酵罐視孔上觀察泡沫產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)泡沫持續(xù)上升時，開啟消泡劑貯罐的閥門，流加少量消泡劑，使泡沫消失即可。

　　也可在罐內(nèi)頂部裝一不銹鋼探頭并與控制儀表連結(jié)，用以控制消泡貯率閥門的開啟。當泡沫上升接觸探頭頂端時產(chǎn)生的信號，通過控制裝置，指令打開泵開關(guān)或閥門，自動加入消泡劑，泡沫消失，信號也隨之消失，閥門關(guān)閉。

　　4.罐壓

　　發(fā)酵容器都裝有壓力測量裝置，最通用的是彈簧壓力表。因為培養(yǎng)過程和高壓蒸汽滅菌時都需要觀察壓力的變化情況。

　　發(fā)酵過程中，空氣壓力對微生物生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響主要表現(xiàn)為壓力提高氧的溶解度，改善發(fā)酵過程中溶氧的供應(yīng)。但是罐壓增加，也相應(yīng)地提高CO2分壓，而后者的增加對有些微生物的正常生長可能產(chǎn)生不利的影響。 單圈彈簧管壓力計是最常用的壓力表，一般安裝在發(fā)酵罐和過濾器的頂部，它所指示的數(shù)字是表示高于大氣壓的壓力數(shù)。

　　控制壓力的方法，一般為調(diào)節(jié)進口或出口閥門，改變進入或排出的空氣(或氣體 量，以維持工藝規(guī)程所需的壓力。

　　在自動控制的發(fā)酵罐中，可選用霍爾效應(yīng)壓力計或各種遠傳式壓力計，它們可以將壓力轉(zhuǎn)變成各種電信號然后與儀表聯(lián)接，后者根據(jù)壓力大小，反饋控制閥門的開關(guān)，達到調(diào)節(jié)的目的。

　　5.空氣流量

　　發(fā)酵生產(chǎn)中，一般以通風比來表示空氣流量，通常以一分鐘內(nèi)通過單位體積培養(yǎng)液的空氣體積比來表示(V/V •m 。

　　例如，裝有2.5m3培養(yǎng)液的發(fā)酵罐，若每分鐘通入無菌空氣1.25m3，則稱為通氣比為1:0.5，或簡稱通風量為0.5(V/V •m 。

　　通氣對氧的溶解速率的影響

　　主要表現(xiàn)為氣體的表面線速度(V與溶氧系數(shù)(KLa成正比，由于通氣量增大，有利于提高溶氧速率，但如果加大通氣量而不維持原有攪拌功率，則由于增加通氣量，使發(fā)酵液密度下降，從而導致攪拌功耗下降，而攪拌功耗對提高溶氧的影響將更為顯著。因此，如果加大通氣量而不維持原有攪拌功率時，對提高溶氧并不十分有效。

　　測定和調(diào)節(jié)空氣流量的方法

　　測定空氣流量最簡便的方法是轉(zhuǎn)子流量計。

　　它是—種結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓力損失小、維修方便的儀器;通常直接安裝在發(fā)酵罐的排氣管道上。

　　轉(zhuǎn)子流量計基本上由兩個部件組成，一件是從下向上逐漸擴大的錐形管;另—件是置于錐形管中可以上下自由移動的轉(zhuǎn)子，當流量足夠大時，氣流產(chǎn)生的作用力能將轉(zhuǎn)子托起并使之升高，流量的大小決定了轉(zhuǎn)子平衡時所在位置的高低。因此，可以從已知刻度上測出空氣流量。

　　空氣流量調(diào)節(jié)是通過開啟閥門實現(xiàn)的。

　　6.攪拌轉(zhuǎn)速

　　發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速與發(fā)酵的溶氧系數(shù)關(guān)系十分密切。因為溶氧系數(shù)KLa 正比于單位發(fā)酵液的攪拌功率消耗，而功耗與攪拌轉(zhuǎn)速的三次方成正比。所以在一定幾何結(jié)構(gòu)條件下(如罐的徑高比、攪拌葉片直徑、擋板等 發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)(或稱體積傳質(zhì)系數(shù)KLa 主要受攪拌轉(zhuǎn)速的影響。

　　攪拌影響溶氧系數(shù)主要有3個方面：

　?、?攪拌把通入的無菌空氣打成細小氣泡，增加氣液接觸面積(即增大內(nèi)表面積a ，而且小氣泡從罐底上升到液面要比大氣泡慢，也增加氣液接觸時間; ② 攪拌造成的渦流運動使氣泡不直接從罐底上升至頂部，而變成螺旋運動上升，這也增加了氣液表面的上升時間，利于氧的溶解;

　?、?攪拌所形成的湍流斷面減少液膜的厚度，從而減少液膜阻力，增大了KLa 。

　　目前試驗用小型發(fā)酵罐都采用變速馬達，因此可以根據(jù)發(fā)酵工藝需要(主要是取決于溶氧速率的需要 調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速。

　　國內(nèi)工業(yè)規(guī)模發(fā)酵罐所用馬達多數(shù)為固定轉(zhuǎn)速，通過變速箱或皮帶盤進行減速。因此在發(fā)酵過程中，一般是無法調(diào)整攪拌速度的。

　　如果在大型發(fā)酵罐上采用變速馬達，雖然一次投資費用較大些，但是可以在發(fā)酵過程中根據(jù)不同時期微生物對氧需要進行調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，這樣將使生產(chǎn)過程更科學、合理和經(jīng)濟。