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第八章发酵罐的比拟放大•主讲人：刘萍•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。雷诺准数在化学工程领域中，雷诺准数Re对于研究和解决流体的流动、热量传递、质量传递等方面的理论和实际问题都有着重要的作用。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。在发酵工程中是否适用和发酵工程中所用的比拟放大方法•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。发酵过程的控制和监测一、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。2．化学检测指标：pH；氧化还原电位；溶解氧；气体CO2、O2；糖含量；化合物含量等。3．生物检测指标：菌体浊度；ATP；各种酶活力；中间代谢产物。当然并非所有产品的发酵过程中都需检测上述全部参数，而是根据该产品的特点和可能条件，有选择地检测部分参数。(二)监控方式•一般监控系统包括3个部分。•1．测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。•2．控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件进行调整控制。•3．执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。•关于控制方式，有手动控制和自动控制两类。1．手动控制：这是最简易的控制方法。例如，调节发酵温度，通过控制发酵罐夹套的冷却水(或蒸汽)流量来调节发酵液的温度。手动控制方法简单，不需特殊的附加装置，投资费用较少，劳动强度较大，控制的合适也可减少误差。2．自动控制：采用自动控制时，必须使测定元件产生输出信号并用仪表监视。如测定温度时，可用热电偶代替温度计，并与控制部分相连，控制部分再产生信号驱动执行元件进行操作。二、发酵过程的常规监控1．温度2．pH值3．泡沫4．罐压5．空气流量6．搅拌转速1．温度•由于微生物利用碳源、能源进行代谢活动能产生放热反应，•此外，搅拌也能产生一定热量，因此发酵过程中升温的快慢常常可以作为判断发酵速度的粗略参考。•发酵正常，菌体生长繁殖旺盛时自然升温较快，发酵后期，升温较缓慢，为了维持生长的适合温度必须在发酵过程随时调节发酵罐传热装置内冷却水或蒸汽来维持发酵液的温度。最简单的温度测定方法是观察发酵罐罐壁上的温包内的温度计。然后，对照工艺规程，罐温偏高时，开启自来水(或冷却水)的阀门，使发酵液温度降至规定的温度。升温或降温终了时，应注意出现滞后现象。适时合理的控制往往需要一定的经验和技巧。温度自控方法，可采用热电偶或热变电阻器或金属电阻温度计，这些热敏感元件都能将温度变化转变成电信号，然后与控制仪表相连，并且经各类控制开关或回路将指令传给执执行元件，同样可以开启或关闭冷却或加热装置，使罐温维持恒定。2．pH值•发酵过程中，培养基pH的变化主要决定于培养基的成分和微生物的代谢特性，这是由于微生物不断消耗和利用营养物质，同时又分泌各种代谢产物到培养基中去的结果。•培养基的pH值是反映了微生物对营养物质进行同化和异化作用后的最终氢离子浓度。•显然在固定的培养条件下，微生物发酵过程中pH的变化是有一定规律性的，掌握这种变化，对于判断和控制发酵生产有相当重要的意义。•测定pH的方法：•a.通常可用pH试纸测定;•b.精确的则用pH计测定。•目前已有可经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。3．泡沫的检测和控制•最简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫产生情况，发现泡沫持续上升时，开启消泡剂贮罐的阀门，流加少量消泡剂，使泡沫消失即可。•也可在罐内顶部装一不锈钢探头并与控制仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。当泡沫上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。4．罐压•发酵容器都装有压力测量装置，最通用的是弹簧压力表。因为培养过程和高压蒸汽灭菌时都需要观察压力的变化情况。•发酵过程中，空气压力对微生物生长繁殖和产物合成的影响主要表现为压力提高氧的溶解度，改善发酵过程中溶氧的供应。但是罐压增加，也相应地提高CO2分压，而后者的增加对有些微生物的正常生长可能产生不利的影响。•单圈弹簧管压力计是最常用的压力表，一般安装在发酵罐和过滤器的顶部，它所指示的数字是表示高于大气压的压力数。•控制压力的方法，一般为调节进口或出口阀门，改变进入或排出的空气(或气体)量，以维持工艺规程所需的压力。•在自动控制的发酵罐中，可选用霍尔效应压力计或各种远传式压力计，它们可以将压力转变成各种电信号然后与仪表联接，后者根据压力大小，反馈控制阀门的开关，达到调节的目的。5．空气流量•发酵生产中，一般以通风比来表示空气流量，通常以一分钟内通过单位体积培养液的空气体积比来表示(V／V·m)。•例如，装有2.5m3培养液的发酵罐，若每分钟通入无菌空气1.25m3，则称为通气比为1:0.5，或简称通风量为0.5(V／V·m)。•主要表现为气体的表面线速度(V)与溶氧系数(KLa)成正比，由于通气量增大，有利于提高溶氧速率，但如果加大通气量而不维持原有搅拌功率，则由于增加通气量，使发酵液密度下降，从而导致搅拌功耗下降，而搅拌功耗对提高溶氧的影响将更为显著。因此，如果加大通气量而不维持原有搅拌功率时，对提高溶氧并不十分有效。通气对氧的溶解速率的影响•测定空气流量最简便的方法是转子流量计。•它是—种结构简单、直观、压力损失小、维修方便的仪器；通常直接安装在发酵罐的排气管道上。•转子流量计基本上由两个部件组成，一件是从下向上逐渐扩大的锥形管；另—件是置于锥形管中可以上下自由移动的转子，当流量足够大时，气流产生的作用力能将转子托起并使之升高，流量的大小决定了转子平衡时所在位置的高低。因此，可以从已知刻度上测出空气流量。•空气流量调节是通过开启阀门实现的。测定和调节空气流量的方法6．搅拌转速•发酵罐搅拌转速与发酵的溶氧系数关系十分密切。因为溶氧系数KLa正比于单位发酵液的搅拌功率消耗，而功耗与搅拌转速的三次方成正比。所以在一定几何结构条件下(如罐的径高比、搅拌叶片直径、挡板等)发酵罐的溶氧系数(或称体积传质系数)KLa主要受搅拌转速的影响。搅拌影响溶氧系数主要有3个方面：•①搅拌把通入的无菌空气打成细小气泡，增加气液接触面积(即增大内表面积a)，而且小气泡从罐底上升到液面要比大气泡慢，也增加气液接触时间；•②搅拌造成的涡流运动使气泡不直接从罐底上升至顶部，而变成螺旋运动上升，这也增加了气液表面的上升时间，利于氧的溶解；•③搅拌所形成的湍流断面减少液膜的厚度，从而减少液膜阻力，增大了KLa。•目前试验用小型发酵罐都采用变速马达，因此可以根据发酵工艺需要(主要是取决于溶氧速率的需要)调节搅拌转速。国内工业规模发酵罐所用马达多数为固定转速，通过变速箱或皮带盘进行减速。因此在发酵过程中，一般是无法调整搅拌速度的。如果在大型发酵罐上采用变速马达，虽然一次投资费用较大些，但是可以在发酵过程中根据不同时期微生物对氧需要进行调节搅拌转速，这样将使生产过程更科学、合理和经济。