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 π DN,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 。
? 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 π DN,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 。
