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1、第八章發(fā)酵罐的比擬放大主講人：劉萍一、比擬放大的內容：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，這些內容都有一定的相互關系。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。雷諾準數(shù)在化學工程領域中，雷諾準數(shù)Re對于研究和解決流體的流動、熱量傳遞、質量傳遞等方面的理論和實際問題都有著重要的作用。三比擬放大和它的基本方法比擬放大:是把小型設備中進行科學實驗所獲得的成果在大生產設備中予以再現(xiàn)的手段，它不是等比例放大，而是以相似論
2、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備中求得此函數(shù)式中所包含的常數(shù)和指數(shù)，則此關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)對此過程的關系，而假定其它參數(shù)是不變的，實際上不可能都是不變的
3、。因此發(fā)酵生產過程設備比似放大理論與技術的完善，有賴于對發(fā)酵過程的本質的深入了解。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物。（一）發(fā)酵過程監(jiān)控的主要指標1．
4、物理檢測指標：溫度；壓力；攪拌轉速；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；中間代謝產物。當然并非所有產品的發(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
5、整控制。3．執(zhí)行元件：它接受控制部分的指令開啟、或關閉有關閥門、泵、開關等調節(jié)控制機構，使有關參數(shù)達到預定位置。關于控制方式，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，控制部分再產生信號驅動執(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
6、．pH值3．泡沫4．罐壓5．空氣流量6．攪拌轉速1．溫度由于微生物利用碳源、能源進行代謝活動能產生放熱反應，此外，攪拌也能產生一定熱量，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)酵過程隨時調節(jié)發(fā)酵罐傳熱裝置內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，應注意出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。適時合理的控制往往
7、需要一定的經驗和技巧。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變成電信號，然后與控制儀表相連，并且經各類控制開關或回路將指令傳給執(zhí)執(zhí)行元件，同樣可以開啟或關閉冷卻或加熱裝置，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，同時又分泌各種代謝產物到培養(yǎng)基中去的結果。培養(yǎng)基的pH值是反映了微生物對營養(yǎng)物質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，
8、對于判斷和控制發(fā)酵生產有相當重要的意義。測定pH的方法：a.通?？捎胮H試紙測定;b.精確的則用pH計測定。目前已有可經消
