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(fēng)量，攪拌功率，傳熱面積和其他方面的放大問(wèn)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(zhǔn)數(shù)

　　3、溶氧系數(shù)

　　4、攪拌槳末端線速度

　　5、混合時(shí)間

　　6、通過(guò)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(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(gè)具有一定物理含義的無(wú)因次數(shù)，并建立它們間的函數(shù)式，然后用實(shí)驗(yàn)的方法在試驗(yàn)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(guò)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(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，影響這個(gè)過(guò)程的參數(shù)有物理的、化學(xué)的、生物的，有些雖然已經(jīng)被認(rèn)識(shí)了，但目前還不能準(zhǔn)確快速地測(cè)量，有些則尚未被認(rèn)識(shí)。

　　現(xiàn)在只研究了少數(shù)參數(shù)對(duì)此過(guò)程的關(guān)系，而假定其它參數(shù)是不變的，實(shí)際上不可能都是不變的。因此發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備比似放大理論與技術(shù)的完善，有賴于對(duì)發(fā)酵過(guò)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(dòng)量因子, 相似的混合時(shí)間等。

　　發(fā)酵過(guò)程的控制和監(jiān)測(cè)

　　一、發(fā)酵過(guò)程的監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方式

　　發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)意義

　　在發(fā)酵過(guò)程中，過(guò)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(yíng)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(xué)上的變化)，而各種具有生物活性的產(chǎn)物被積累。 發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)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(guò)程監(jiān)控的主要指標(biāo)

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

　　2.化學(xué)檢測(cè)指標(biāo)：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(cè)指標(biāo)：菌體濁度;ATP ;各種酶活力;中間代謝產(chǎn)物。

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

　　(二 監(jiān)控方式

　　一般監(jiān)控系統(tǒng)包括3個(gè)部分。

　　1.測(cè)定元件：如溫度計(jì)、壓力表、電流計(jì)、pH 計(jì)直接測(cè)定發(fā)酵過(guò)程的各種參數(shù)，并輸出相應(yīng)信號(hào)。

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

　　3.執(zhí)行元件：它接受控制部分的指令開(kāi)啟、或關(guān)閉有關(guān)閥門、泵、開(kāi)關(guān)等調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)，使有關(guān)參數(shù)達(dá)到預(yù)定位置。

　　關(guān)于控制方式，有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩類。

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

　　2. 自動(dòng)控制：采用自動(dòng)控制時(shí)，必須使測(cè)定元件產(chǎn)生輸出信號(hào)并用儀表監(jiān)視。如測(cè)定溫度時(shí)，可用熱電偶代替溫度計(jì)，并與控制部分相連，控制部分再產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行操作。

　　二、發(fā)酵過(guò)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(jìn)行代謝活動(dòng)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(guò)程中升溫的快慢常常可以作為判斷發(fā)酵速度的粗略參考。

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

　　最簡(jiǎn)單的溫度測(cè)定方法是觀察發(fā)酵罐罐壁上的溫包內(nèi)的溫度計(jì)。然后，對(duì)照工藝規(guī)程，罐溫偏高時(shí)，開(kāi)啟自來(lái)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(shí)，應(yīng)注意出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。適時(shí)合理的控制往往需要一定的經(jīng)驗(yàn)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(jì)，這些熱敏

　　感元件都能將溫度變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后與控制儀表相連，并且經(jīng)各類控制開(kāi)關(guān)或回路將指令傳給執(zhí)執(zhí)行元件，同樣可以開(kāi)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(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)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(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)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(guò)程中pH 的變化是有一定規(guī)律性的，掌握這種變化，對(duì)于判斷和控制發(fā)酵生產(chǎn)有相當(dāng)重要的意義。

　　測(cè)定pH 的方法：

　　a. 通?？捎胮H 試紙測(cè)定;

　　b. 精確的則用pH 計(jì)測(cè)定。

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

　　3.泡沫的檢測(cè)和控制

　　最簡(jiǎn)單的檢測(cè)是定時(shí)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(shí)，開(kāi)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(kāi)啟。當(dāng)泡沫上升接觸探頭頂端時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，通過(guò)控制裝置，指令打開(kāi)泵開(kāi)關(guān)或閥門，自動(dòng)加入消泡劑，泡沫消失，信號(hào)也隨之消失，閥門關(guān)閉。

　　4.罐壓

　　發(fā)酵容器都裝有壓力測(cè)量裝置，最通用的是彈簧壓力表。因?yàn)榕囵B(yǎng)過(guò)程和高壓蒸汽滅菌時(shí)都需要觀察壓力的變化情況。

　　發(fā)酵過(guò)程中，空氣壓力對(duì)微生物生長(zhǎng)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(guò)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(duì)有些微生物的正常生長(zhǎng)可能產(chǎn)生不利的影響。 單圈彈簧管壓力計(jì)是最常用的壓力表，一般安裝在發(fā)酵罐和過(guò)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(jìn)口或出口閥門，改變進(jìn)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(dòng)控制的發(fā)酵罐中，可選用霍爾效應(yīng)壓力計(jì)或各種遠(yuǎn)傳式壓力計(jì)，它們可以將壓力轉(zhuǎn)變成各種電信號(hào)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(kāi)關(guān)，達(dá)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(fēng)比來(lái)表示空氣流量，通常以一分鐘內(nèi)通過(guò)單位體積培養(yǎng)液的空氣體積比來(lái)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(wú)菌空氣1.25m3，則稱為通氣比為1:0.5，或簡(jiǎn)稱通風(fēng)量為0.5(V/V •m 。

　　通氣對(duì)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(dǎo)致攪拌功耗下降，而攪拌功耗對(duì)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(shí)，對(duì)提高溶氧并不十分有效。

　　測(cè)定和調(diào)節(jié)空氣流量的方法

　　測(cè)定空氣流量最簡(jiǎn)便的方法是轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

　　它是—種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)基本上由兩個(gè)部件組成，一件是從下向上逐漸擴(kuò)大的錐形管;另—件是置于錐形管中可以上下自由移動(dòng)的轉(zhuǎn)子，當(dāng)流量足夠大時(shí)，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(shí)所在位置的高低。因此，可以從已知刻度上測(cè)出空氣流量。

　　空氣流量調(diào)節(jié)是通過(guò)開(kāi)啟閥門實(shí)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?yàn)槿苎跸禂?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(gè)方面：

　?、?攪拌把通入的無(wú)菌空氣打成細(xì)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(shí)間; ② 攪拌造成的渦流運(yùn)動(dòng)使氣泡不直接從罐底上升至頂部，而變成螺旋運(yùn)動(dòng)上升，這也增加了氣液表面的上升時(shí)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(yàn)用小型發(fā)酵罐都采用變速馬達(dá)，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(guó)內(nèi)工業(yè)規(guī)模發(fā)酵罐所用馬達(dá)多數(shù)為固定轉(zhuǎn)速，通過(guò)變速箱或皮帶盤(pán)進(jìn)行減速。因此在發(fā)酵過(guò)程中，一般是無(wú)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(dá)，雖然一次投資費(fèi)用較大些，但是可以在發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)不同時(shí)期微生物對(duì)氧需要進(jìn)行調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，這樣將使生產(chǎn)過(guò)程更科學(xué)、合理和經(jīng)濟(jì)。