发酵中试的比拟放大市公开课一等奖省赛课获奖课件

第八章发酵罐比拟放大

主讲人：刘萍发酵中试的比拟放大第1页一、比拟放大内容：罐几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其它方面放大问题，这些内容都有一定相互关系。发酵中试的比拟放大第2页二、比拟放大依据

1、单位体积液体搅拌消耗功率

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、经过反馈控制条件，尽可能使主要环境因子一致。发酵中试的比拟放大第3页雷诺准数

在化学工程领域中，雷诺准数Re对于研究和处理流体流动、热量传递、质量传递等方面理论和实际问题都有着主要作用。发酵中试的比拟放大第4页三比拟放大和它基本方法比拟放大:是把小型设备中进行科学试验所取得结果在大生产设备中给予再现伎俩，它不是等百分比放大，而是以相同论方法进行放大。发酵中试的比拟放大第5页首先必须找出表征着此系统各种参数，将它们组成几个含有一定物理含义无因次数，并建立它们间函数式，然后用试验方法在试验设备中求得此函数式中所包含常数和指数，则此关系式在一定条件下便可用作为比似放大依据。比拟放大是化工过程研究和生产中惯用基本方法之一。发酵中试的比拟放大第6页在发酵工程中是否适用和发酵工程中所用比拟放大方法

发酵过程是一个复杂生物化学过程，影响这个过程参数有物理、化学、生物，有些即使已经被认识了，但当前还不能准确快速地测量，有些则还未被认识。现在只研究了少数参数对此过程关系，而假定其它参数是不变，实际上不可能都是不变。所以发酵生产过程设备比似放大理论与技术完善，有赖于对发酵过程本质深入了解。发酵中试的比拟放大第7页发酵工程中所用比拟放大方法有：等KLa,等πDN,等Pg/V,等Re或动量因子,相同混合时间等。发酵中试的比拟放大第8页发酵过程控制和监测

发酵中试的比拟放大第9页一、发酵过程监测内容与方式

发酵中试的比拟放大第10页发酵过程参数检测意义

在发酵过程中，过程状态经历着不停改变，尤其是批发酵这种状态改变更加快。底物和营养物因为生物活性而改变，生物量增加和生物量组成也在改变(包含物理、生化和形态学上改变），而各种含有生物活性产物被积累。发酵过程检测和控制目标就是利用尽可能少原料而取得最大所需产物。发酵中试的比拟放大第11页（一）发酵过程监控主要指标

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。当然并非全部产品发酵过程中都需检测上述全部参数，而是依据该产品特点和可能条件，有选择地检测部分参数。发酵中试的比拟放大第12页(二)监控方式

普通监控系统包含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各种参数，并输出对应信号。

2．控制部分：其功效主要是将测定元件测出各种参数信号与预先确定值进行比较，而且输出信号指令执行元件进行调整控制。3．执行元件：它接收控制部分指令开启、或关闭相关阀门、泵、开关等调整控制机构，使相关参数到达预定位置。发酵中试的比拟放大第13页

关于控制方式，有手动控制和自动控制两类。

1．手动控制：这是最简易控制方法。比如，调整发酵温度，经过控制发酵罐夹套冷却水(或蒸汽)流量来调整发酵液温度。手动控制方法简单，不需特殊附加装置，投资费用较少，劳动强度较大，控制适当也可降低误差。

2．自动控制：采取自动控制时，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。发酵中试的比拟放大第14页二、发酵过程常规监控

1．温度2．pH值3．泡沫4．罐压5．空气流量6．搅拌转速

发酵中试的比拟放大第15页1．温度

因为微生物利用碳源、能源进行代谢活动能产生放热反应，另外，搅拌也能产生一定热量，所以发酵过程中升温快慢经常能够作为判断发酵速度粗略参考。发酵正常，菌体生长繁殖旺盛时自然升温较快，发酵后期，升温较迟缓，为了维持生长适合温度必须在发酵过程随时调整发酵罐传热装置内冷却水或蒸汽来维持发酵液温度。发酵中试的比拟放大第16页

最简单温度测定方法是观察发酵罐罐壁上温包内温度计。然后，对照工艺规程，罐温偏高时，开启自来水(或冷却水)阀门，使发酵液温度降至要求温度。升温或降温终了时，应注意出现滞后现象。适时合理控制往往需要一定经验和技巧。发酵中试的比拟放大第17页

温度自控方法，可采取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改变转变成电信号，然后与控制仪表相连，而且经各类控制开关或回路将指令传给执执行元件，一样能够开启或关闭冷却或加热装置，使罐温维持恒定。发酵中试的比拟放大第18页2．pH值

发酵过程中，培养基pH改变主要决定于培养基成份和微生物代谢特征，这是因为微生物不停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结果。培养基pH值是反应了微生物对营养物质进行同化和异化作用后最终氢离子浓度。显然在固定培养条件下，微生物发酵过程中pH改变是有一定规律性，掌握这种改变，对于判断和控制发酵生产有相当主要意义。发酵中试的比拟放大第19页

测定pH方法：a.通常可用pH试纸测定;b.准确则用pH计测定。当前已经有可经消毒pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基pH，同时还能够与控制仪表连结，经过回路系统控制阀门或泵进行pH调整。发酵中试的比拟放大第20页3．泡沫检测和控制最简单检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫产生情况，发觉泡沫连续上升时，开启消泡剂贮罐阀门，流加少许消泡剂，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开启。当泡沫上升接触探头顶端时产生信号，经过控制装置，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。发酵中试的比拟放大第21页4．罐压

发酵容器都装有压力测量装置，最通用是弹簧压力表。因为培养过程和高压蒸汽灭菌时都需要观察压力改变情况。发酵过程中，空气压力对微生物生长繁殖和产物合成影响主要表现为压力提升氧溶解度，改进发酵过程中溶氧供给。不过罐压增加，也对应地提升CO2分压，而后者增加对有些微生物正常生长可能产生不利影响。发酵中试的比拟放大第22页单圈弹簧管压力计是最惯用压力表，普通安装在发酵罐和过滤器顶部，它所指示数字是表示高于大气压压力数。控制压力方法，普通为调整进口或出口阀门，改变进入或排出空气(或气体)量，以维持工艺规程所需压力。在自动控制发酵罐中，可选取霍尔效应压力计或各种远传式压力计，它们能够将压力转变成各种电信号然后与仪表联接，后者依据压力大小，反馈控制阀门开关，到达调整目标。发酵中试的比拟放大第23页

5．空气流量

发酵生产中，普通以通风比来表示空气流量，通常以一分钟内经过单位体积培养液空气体积比来表示(V／V·m)。比如，装有2.5m3培养液发酵罐，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)。发酵中试的比拟放大第24页主要表现为气体表面线速度(V)与溶氧系数(KLa)成正比，因为通气量增大，有利于提升溶氧速率，但假如加大通气量而不维持原有搅拌功率，则因为增加通气量，使发酵液密度下降，从而造成搅拌功耗下降，而搅拌功耗对提升溶氧影响将更为显著。所以，假如加大通气量而不维持原有搅拌功率时，对提升溶氧并不十分有效。通气对氧溶解速率影响发酵中试的比拟放大第25页

测定空气流量最简便方法是转子流量计。它是—种结构简单、直观、压力损失小、维修方便仪器；通常直接安装在发酵罐排气管道上。转子流量计基本上由两个部件组成，一件是从下向上逐步扩大锥形管；另—件是置于锥形管中能够上下自由移动转子，当流量足够大时，气流产生作用力能将转子托起并使之升高，流量大小决定了转子平衡时所在位置高低。所以，能够从已知刻度上测出空气流量。空气流量调整是经过开启阀门实现。测定和调整空气流量方法发酵中试的比拟放大第26页6．搅拌转速

发酵罐搅拌转速与发酵溶氧系数关系十分亲密。因为溶氧系数KLa正比于单位发酵液搅拌功率消耗，而功耗与搅拌转速三次方成正比。所以在一定几何结构条件下(如罐径高比、搅拌叶片直径、挡板等)发酵罐溶氧系数(或称体积传质系数)KLa主要受搅拌转速影响。发酵中试的比拟放大第27页搅拌影响溶氧系数主要有3个方面：

①

搅拌把通入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上升时间，利于氧溶解；③

搅拌所形成湍流断面降低液膜厚度，从而降低液膜阻力，增大了KLa。发酵中试的比拟放大第28页

当前试验用小型发酵罐都采取变速马达