9 生物反應(yīng)器的放大與控制.ppt

1、第九章 生物反應(yīng)器的放大與控制,引言,一個(gè)生物工程產(chǎn)品必須經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)室到規(guī)模化生產(chǎn)直至成為商品的一系列過程，其研究開發(fā)包含了實(shí)驗(yàn)室的小試，適當(dāng)規(guī)模中試和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)等幾個(gè)階段。 生物反應(yīng)器的放大是生物加工過程的關(guān)鍵技術(shù)之一。 生物反應(yīng)器的放大:是指將研究設(shè)備中的優(yōu)化的培養(yǎng)結(jié)果轉(zhuǎn)移到高一級(jí)設(shè)備中加以重演的技術(shù)，實(shí)際上也兼具生物反應(yīng)過程放大的含義。它是生物技術(shù)開發(fā)過程中的重要組成部分，也是生物技術(shù)成果得以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一。,引言,反應(yīng)器的放大涉及內(nèi)容較多。除涉及微生物的生化反應(yīng)機(jī)制和生理特性外還涉及化工放大方面的內(nèi)容，諸如：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，傳遞和流體流動(dòng)的機(jī)理等。因此，它是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。

2、目前反應(yīng)器的放大方法主要有：經(jīng)驗(yàn)放大法、因次分析法、時(shí)間常數(shù)法和數(shù)學(xué)模擬法。,第一節(jié) 生物反應(yīng)器的放大,一、經(jīng)驗(yàn)放大法 二、其他放大方法,簡介,定義:經(jīng)驗(yàn)放大法是依據(jù)對(duì)已有生物反應(yīng)器的操作經(jīng)驗(yàn)所建立起的一些規(guī)律而進(jìn)行放大的方法。 特點(diǎn):這些規(guī)律多半是定性的，僅有一些簡單的、粗糙的定量概念。由于該法對(duì)事物的機(jī)理缺乏透徹的了解，因而放大比例一般較小，并且此法不夠精確。但是對(duì)于目前還難進(jìn)行理論解析的領(lǐng)域，還要依靠經(jīng)驗(yàn)放大法。對(duì)于生物反應(yīng)器來說，到目前為止，應(yīng)用較多的方法也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)用的原則進(jìn)行反應(yīng)器的放大和設(shè)計(jì)。,（一）幾何相似放大,定義:生物反應(yīng)器的尺寸放大大多數(shù)是利用幾何相似原則放大。所謂的

3、幾何相似指的是兩臺(tái)設(shè)備的幾何形狀完全相似。在幾何相似放大中，放大倍數(shù)實(shí)際上就是反應(yīng)器體積的增加倍數(shù)。,（一）幾何相似放大,（7-1）,（7-2）,和,（7-3）,式中: 反應(yīng)器的高度，m； 反應(yīng)器的內(nèi)徑，m； 反應(yīng)器的體積，m3； 下標(biāo)“1”-模型反應(yīng)器； 下標(biāo)“2”放大的反應(yīng)器。,若按幾何相似放大法， 當(dāng)體積增加10倍時(shí)， 生物反應(yīng)器的直徑和 高度均放大101/3倍。,（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大,定義:以單位體積液體所分配的攪拌軸功率相同這一準(zhǔn)則進(jìn)行的反應(yīng)器的放大，是一般機(jī)械攪拌式化學(xué)反應(yīng)器的放大準(zhǔn)則，可以將此準(zhǔn)則應(yīng)用于生物反應(yīng)器的放大 。,（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大

4、,（7-4）,對(duì)于不通氣時(shí)的機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，根據(jù)軸功率計(jì)算公式，可以得到：,（7-5）,因此,（7-6）,所以,（7-7）,（7-8）,不通氣時(shí)的攪拌功率，kw； 反應(yīng)器的內(nèi)徑，m； 發(fā)酵液的體積，m3； 下標(biāo)“1”模型反應(yīng)器； 下標(biāo)“2”放大的反應(yīng)器。,（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大,對(duì)于通氣式機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器，可取單位體積液體分配的 通氣攪拌功率相同的準(zhǔn)則進(jìn)行放大，即：,（7-9）,根據(jù)通氣時(shí)攪拌軸功率的計(jì)算公式，可知,（7-10）,（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大,所以,（7-11）,（7-12）,式中 通氣攪拌率； 通氣量； 空氣的線速度。,（三）以單位培養(yǎng)液體積的

5、空氣流量相同的原則進(jìn)行放大,生物細(xì)胞培養(yǎng)過程中空氣流量的表示方式有兩種：,（1）單位培養(yǎng)液體積在單位時(shí)間內(nèi)通入的空氣量（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)），即：,，m3/（m3min）,（7-13）,（2）操作狀態(tài)下空氣的線速度 ，m/h。,，m/h,（7-14）,（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大,，m3/h,（7-15）,，m3/（m3min）,（7-16）,式中 反應(yīng)器內(nèi)徑，m； 反應(yīng)器的溫度，； 發(fā)酵液體積，m3； 液柱平均絕對(duì)壓力，pa。,（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大,以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大時(shí)，有,即,（7-17）,因此,（7-18）,由上式可知，當(dāng)

6、體積放大100倍時(shí)， ，如果忽略液柱壓力 ， 則 即線速度增大4.64倍，其結(jié)果是顯得空氣線速度放大 過多。,（四）以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大,以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大時(shí)有,（7-19）,即,（7-20）,由上式可知，當(dāng)體積放大100倍時(shí)，即 ，若忽略液柱壓力， 即 ，即通風(fēng)量減少4.64倍，其結(jié)果是通風(fēng)量過小。,（五）以 相同的原則進(jìn)行放大,在耗氧發(fā)酵過程中，由于氧在培養(yǎng)液中的溶解度很低，生物反應(yīng)很容易因?yàn)?反應(yīng)器供氧能力的限制受到影響，因此以反應(yīng)器的 相同作為放大準(zhǔn)則， 往往可以收到較好的效果。,反應(yīng)器的 與操作條件及培養(yǎng)液的物性有關(guān)，在進(jìn)行放大時(shí)，培養(yǎng)液性質(zhì) 基本相同，所以可只

7、考慮操作條件的影響。,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道， 與通氣量 、液柱高度 、培養(yǎng)液體積 存在如下的 比例關(guān)系：,（7-21）,（五）以 相同的原則進(jìn)行放大,按 相等的原則進(jìn)行放大，則有：,（7-22）,故,（7-23）,（五）以 相同的原則進(jìn)行放大,又因?yàn)?（7-24）,所以,（7-25）,又因?yàn)?（7-26）,故,（7-27）,（五）以 相同的原則進(jìn)行放大,也有采用下面的表達(dá)式作為放大基礎(chǔ)：,（7-28）,因此,（7-29）,若以,（7-30）,（7-31）,（五）以 相同的原則進(jìn)行放大,按相同的原則進(jìn)行放大，則：,（7-32）,（7-33）,（7-34）,（六）攪拌器葉尖速度相同的準(zhǔn)則,按照攪拌器的葉尖

8、速度相等的原則進(jìn)行放大。當(dāng)大小反應(yīng)器中攪拌器的葉尖速度相等時(shí)， ，因此：,（7-35）,（七）混合時(shí)間相同的準(zhǔn)則,混合時(shí)間是指在反應(yīng)器中加入物料，到它們被混合均勻時(shí)所需的時(shí)間。在小反應(yīng)器中，比較容易混合均勻，而在大反應(yīng)器中，則較為困難。通過因次分析，得到以下關(guān)系：,（7-36）,（七）混合時(shí)間相同的準(zhǔn)則,對(duì)于幾何相似的反應(yīng)器， 時(shí)，從上式可以得出：,（7-37）,總結(jié),需要指出的是上述放大方法是各強(qiáng)調(diào)一個(gè)側(cè)重點(diǎn)，得出的 結(jié)論往往有較大的差異。 下表所列出的是10l小罐（n=500r/min，通氣1vvm） 放大到10000l（即放大1000倍）時(shí)，按照不同的放大準(zhǔn)則 所得出的結(jié)論，并以攪拌轉(zhuǎn)速

9、來進(jìn)行比較。,表7-1 放大方法的比較,總結(jié),從表中的數(shù)據(jù)可以看到，按照不同準(zhǔn)則放大，結(jié)果是放 大后的反應(yīng)器其他參數(shù)發(fā)生了懸殊的差別。這說明在放 大中選用什么準(zhǔn)則是很重要的，這要根據(jù)放大體系的特 點(diǎn)而確定。 反應(yīng)器的放大問題現(xiàn)在尚未解決，在放大時(shí)往往外還要 憑借經(jīng)驗(yàn)。有人統(tǒng)計(jì)，實(shí)際放大過程中應(yīng)用最多的是和 相同。,二、其他放大方法,因次分析法 時(shí)間常數(shù)法 數(shù)學(xué)模擬法,二、其他放大方法,因次分析法也稱相似模擬法，它是根據(jù)相似原理，以保持 無因次準(zhǔn)數(shù)相等的原則進(jìn)行放大。該法是根據(jù)對(duì)過程的了 解，確定影響過程的因素，用因次分析方法求得相似準(zhǔn)數(shù)， 根據(jù)相似理論的第一定律（各系統(tǒng)互相相似，則同一相似 準(zhǔn)

10、數(shù)的數(shù)值相等的原理），若能保證放大前與放大后的無 因次數(shù)群相同，則有可能保證放大前與放大后的某些特性 相同。,二、其他放大方法,迄今為止，因次分析法已成功地應(yīng)用于各種物理過程。但對(duì) 有生化反應(yīng)參與的反應(yīng)器的放大則存在一定的困難。這是因 為在放大過程中，要同時(shí)保證放大前后幾何相似、流體力學(xué) 相似、傳熱相似和反應(yīng)相似實(shí)際上幾乎是不可能的，保證所 有無因次數(shù)群完全相等也是不現(xiàn)實(shí)的，并且還會(huì)得出極不合 理的結(jié)果。,二、其他放大方法,在生物反應(yīng)器的放大過程中，由于同時(shí)涉及微生物的生長、 傳質(zhì)、傳熱和剪切等因素，需要維持的相似條件較多，要 使其同時(shí)滿足是不可能的，因此用因次分析法一般難以解 決生物反應(yīng)器的

11、放大問題。為此常需要根據(jù)已有的知識(shí)和 經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，以確定何者更為重要，同時(shí)也能兼顧其他 的條件。,二、其他放大方法,時(shí)間常數(shù)是指某一變量與其變化速率之比。常用的時(shí)間常數(shù) 有反應(yīng)時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間、混合時(shí)間、停留時(shí)間、傳質(zhì)時(shí)間、 傳熱時(shí)間和溶氧臨界時(shí)間等。時(shí)間常數(shù)法可以利用這些時(shí)間 常數(shù)進(jìn)行比較判斷，用于找出過程放大的主要矛盾并據(jù)此來 進(jìn)行反應(yīng)器的放大。,二、其他放大方法,數(shù)學(xué)模擬法是根據(jù)有關(guān)的原理和必要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)際的 過程用數(shù)學(xué)方程的形式加以描述，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬研 究、設(shè)計(jì)和放大。該法的數(shù)學(xué)模型根據(jù)建立方法不同，可分 為由過程機(jī)理推導(dǎo)而得的“機(jī)理模型”、由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納而得 的“經(jīng)驗(yàn)?zāi)?/p>

12、型”和介于二者之間的“混合模型”。,二、其他放大方法,機(jī)理模型是從分析過程的機(jī)理出發(fā)而建立起來的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⑾到y(tǒng) 的數(shù)學(xué)方程式。此模型建立的基礎(chǔ)是必須對(duì)過程要有深刻而透 徹的了解。 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且环N以小型實(shí)驗(yàn)、中間試驗(yàn)或生產(chǎn)裝置上實(shí)測(cè)的數(shù) 據(jù)為基礎(chǔ)而建立的數(shù)學(xué)模型。 混合模型是通過理論分析，確定各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系的形式， 再通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定此函數(shù)式中各參數(shù)的數(shù)值，也就是把機(jī)理 模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合而得到的一種模型。,二、其他放大方法,下圖為數(shù)學(xué)模擬放大法用于一般過程開發(fā)的示意圖,二、其他放大方法,數(shù)學(xué)模擬放大法是以過程參數(shù)間的定量關(guān)系為基礎(chǔ)的，因而 消除了因次分析中的盲目性和矛盾性，而能比較有把握

13、地進(jìn) 行高倍數(shù)的放大，并且模型的精度越高，放大率、倍數(shù)越大。 然而模型的精密程度又建立在基礎(chǔ)研究之上。由于受到這方 面的限制，數(shù)學(xué)模擬實(shí)際取得成效的例子不夠多，特別是對(duì) 生物反應(yīng)過程，由于過程的復(fù)雜性，這方面的問題還遠(yuǎn)沒解 決，但無疑它是一個(gè)很有前途的方法。,第二節(jié) 生物反應(yīng)器的參數(shù)檢測(cè),一、生物加工過程的參數(shù)（物理、化學(xué)參數(shù)） 二、檢測(cè)方法與儀器,一、生物加工過程的參數(shù)（物理、化學(xué)參數(shù)）,要對(duì)生化過程進(jìn)行有效的操作和控制，首先要了解生化過程的狀態(tài)變化，也就是要了解生化過程的各種信息。這些信息可以分為物理變量信息（如發(fā)酵溫度）、化學(xué)變量信息（如ph）以及生物變量信息（如生物質(zhì)濃度）。,表7-2

14、 生物加工過程的物理、化學(xué)參數(shù),表7-2 生物加工過程的物理、化學(xué)參數(shù),表7-2 生物加工過程的物理、化學(xué)參數(shù),（一）設(shè)定參數(shù),1壓強(qiáng) 對(duì)通氣生物發(fā)酵反應(yīng)，必須往反應(yīng)器中通入無菌的潔凈空氣，一是供應(yīng)生物細(xì)胞呼吸代謝所必須的氧，二是強(qiáng)化培養(yǎng)液的混合與傳質(zhì)，三是維持反應(yīng)器有適宜的表壓，以防止外界雜菌進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)。對(duì)氣升式反應(yīng)器，通氣壓強(qiáng)的適度控制是高效溶氧傳質(zhì)及能量消耗的關(guān)鍵因素之一。對(duì)嫌氣發(fā)酵，如廢水的生物厭氧生物處理，對(duì)反應(yīng)體系內(nèi)壓強(qiáng)的監(jiān)控也是十分必要的。,（一）設(shè)定參數(shù),2溫度 不管生物細(xì)胞或是酶催化的生物反應(yīng)，反應(yīng)溫度都是最重要的影響因素。不同的生物細(xì)胞，均有最佳的生長溫度或產(chǎn)物生成溫度，

15、而酶也有最適的催化溫度，所以必須使反應(yīng)體系控制在最佳的發(fā)酵反應(yīng)溫度范圍。,（一）設(shè)定參數(shù),3通氣量 不論是液體深層發(fā)酵或是固體通風(fēng)發(fā)酵，均要連續(xù)（或間歇）往反應(yīng)器中通入大量的無菌空氣。為達(dá)到預(yù)期的混合效果和溶氧速率，以及在固體發(fā)酵中控制發(fā)酵溫度，必須控制工藝規(guī)定的通氣量。當(dāng)然，過高的通氣量會(huì)引起泡沫增多，水分損失太大以及通風(fēng)耗能上升等不良影響。,（一）設(shè)定參數(shù),4液面（或漿液量） 對(duì)液體發(fā)酵，反應(yīng)器的液面或是裝液量的控制是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要因素。液面的高低決定了反應(yīng)器裝液系數(shù)即影響生產(chǎn)效率；對(duì)通風(fēng)液體深層發(fā)酵，初裝液量的多少即液面的高低需按工藝規(guī)定確定，否則通入空氣后發(fā)酵液的含氣率達(dá)一定值，液面

16、就升高，加之泡沫的形成，故必須嚴(yán)格控制培養(yǎng)基液面。,（一）設(shè)定參數(shù),4液面（或漿液量） 特別地，對(duì)氣升內(nèi)環(huán)流式反應(yīng)器，由于導(dǎo)流筒應(yīng)比液面低一適當(dāng)高度才能實(shí)現(xiàn)最佳的環(huán)流混合與氣液傳質(zhì)，但在通氣發(fā)酵過程中，排氣會(huì)帶出一定水分，故反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液會(huì)蒸發(fā)減少，因此液面的檢測(cè)監(jiān)控更重要，必要時(shí)需補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基或無菌水，以維持最佳液位。同理，連續(xù)發(fā)酵過程液位必須維持恒定，液面的檢測(cè)控制也十分重要。,（一）設(shè)定參數(shù),5攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率 對(duì)一定的發(fā)酵反應(yīng)器，攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)酵液的混合狀態(tài)、溶氧速率、物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時(shí)影響生物細(xì)胞的生長、產(chǎn)物的生成、攪拌功率消耗等。對(duì)某一確定的發(fā)酵反應(yīng)器，當(dāng)通氣量一定時(shí)，攪

17、拌轉(zhuǎn)速升高，其溶氧速率增大，消耗的攪拌功率也越大。在完全湍流的條件下，攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速的三次方成正比， ，其n中為攪拌轉(zhuǎn)速。此外，某些生物細(xì)胞如動(dòng)植物細(xì)胞、絲狀菌等，對(duì)攪拌剪切敏感，故攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉尖線速度有其臨界上限范圍。,（一）設(shè)定參數(shù),5攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率 同時(shí)，攪拌功率與上述的攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系，是機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐的比擬放大基準(zhǔn)。因而直接測(cè)定或計(jì)算求出攪拌功率也十分重要。,（一）設(shè)定參數(shù),6泡沫高度 液體生物發(fā)酵，不管是通氣還是厭氣發(fā)酵均有不同程度的泡沫產(chǎn)生。發(fā)酵液泡沫產(chǎn)生的原因是多方面的，最主要的是培養(yǎng)基中所固有的或是發(fā)酵過程中生成的蛋白質(zhì)、菌體、糖類以及其他穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)

18、，加上通氣發(fā)酵過程大量的空氣泡以及厭氣發(fā)酵過程中生成的co2氣泡，都會(huì)導(dǎo)致生物發(fā)酵液面上生成不同程度的泡沫層。如控制不好，就會(huì)大大降低發(fā)酵反應(yīng)器的有效反應(yīng)空間即裝料系數(shù)低，增加感染雜菌的機(jī)會(huì)，嚴(yán)重時(shí)泡沫會(huì)從排氣口溢出而造成跑料，這導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降。,（一）設(shè)定參數(shù),7培養(yǎng)基流加速度 對(duì)生物發(fā)酵的連續(xù)操作或流加操作過程，均需連續(xù)或間歇往反應(yīng)器中加入新鮮培養(yǎng)基，且要控制加入量和加入速度，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的連續(xù)發(fā)酵或流加操作，獲得最大的發(fā)酵速率和生產(chǎn)效率。,（一）設(shè)定參數(shù),8冷卻介質(zhì)流量與速度 生物發(fā)酵過程均有生物合成熱產(chǎn)生，對(duì)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐還有攪拌熱，為保持反應(yīng)器系統(tǒng)的溫度在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)，必須用水等

19、冷卻介質(zhì)通過熱交換器把發(fā)酵熱移走。根據(jù)生化反應(yīng)器的熱量平衡算式：,（7-38）,（一）設(shè)定參數(shù),（7-39）,微生物發(fā)酵熱，j/min； 攪拌熱，j/min； 冷卻水所帶走的熱量，j/min； 冷卻水流量，m3/min； 水的比熱容，j/min3； 冷卻水出口溫度，； 冷卻水入口溫度，；,（一）設(shè)定參數(shù),8冷卻介質(zhì)流量與速度,要維持工藝要求的發(fā)酵溫度，對(duì)應(yīng)不同的發(fā)酵時(shí)期有 不同的發(fā)酵熱以及冷卻介質(zhì)的溫度，需相應(yīng)改變其流 量。故必須測(cè)定冷卻介質(zhì)的進(jìn)出口溫度與流量，據(jù)此 也可間接推定發(fā)酵罐中的生物反應(yīng)是否正常進(jìn)行。,（一）設(shè)定參數(shù),9培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度 對(duì)生物發(fā)酵生產(chǎn)，基質(zhì)濃度如糖濃度等對(duì)生物

20、細(xì)胞的生長 及產(chǎn)物生成具有重要作用，在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，培養(yǎng)液基質(zhì)濃 度則是發(fā)酵轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物得率的重要衡量。尤其是連續(xù)發(fā) 酵和流加培養(yǎng)操作，發(fā)酵液中的基質(zhì)濃度更為重要。類似 地，產(chǎn)物濃度的測(cè)知也同樣重要，因?yàn)檎莆樟税l(fā)酵液中的 產(chǎn)物濃度，就可確定發(fā)酵的進(jìn)程以及決定發(fā)酵是否正常及 是否需要結(jié)束發(fā)酵。所以基質(zhì)與產(chǎn)物濃度的檢測(cè)、控制對(duì) 各種發(fā)酵均是必要的。,（二）狀態(tài)參數(shù),狀態(tài)參數(shù)是指能反映反應(yīng)過程中微生物的生理代謝狀況的參數(shù)，如ph、do、 溶解co2、尾氣o2、尾氣co2、黏度、菌濃等。,1黏度（或表觀黏度） 培養(yǎng)基的黏度主要受培養(yǎng)基的成分及濃度、細(xì)胞濃度、溫度、代謝產(chǎn)物等 影響。而發(fā)酵液的黏度（或表觀

21、黏度）對(duì)溶液的攪拌與混合、溶氧速率、 物質(zhì)傳遞等有重要影響，同時(shí)對(duì)攪拌功率消耗及發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化均起 著重要作用。,（二）狀態(tài)參數(shù),2ph 生物發(fā)酵過程培養(yǎng)液的ph是生物細(xì)胞生長及產(chǎn)物或副產(chǎn)物生成的指示， 是最重要的發(fā)酵過程參數(shù)之一。因每一種生物細(xì)胞均有最佳的生長增 殖ph值，細(xì)胞及酶的生物催化反應(yīng)也有相應(yīng)的最佳ph范圍。而在培養(yǎng) 基制備及產(chǎn)物提取、純化過程也必須控制適當(dāng)?shù)膒h。因此生物反應(yīng)生 產(chǎn)對(duì)ph的檢測(cè)控制極為重要。,（二）狀態(tài)參數(shù),3溶氧濃度和氧化還原電位 好氣性發(fā)酵過程中，液體培養(yǎng)基中均需維持一定水平的溶解氧，以滿足 生物細(xì)胞呼吸、生長及代謝需要。在通風(fēng)深層液體發(fā)酵過程中，溶解氧

22、水平和溶氧效率往往是發(fā)酵生產(chǎn)水平和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要影響因素， 不同的發(fā)酵生產(chǎn)和不同的發(fā)酵時(shí)間，均有適宜的溶氧水平和溶氧速率。 故對(duì)生物反應(yīng)系統(tǒng)即培養(yǎng)液中的溶氧濃度必須測(cè)定和控制。此外，發(fā)酵 過程溶解氧水平還可以作為判別發(fā)酵是否有雜菌或噬菌體污染的間接參 數(shù)，若溶氧濃度變化異常，則提示發(fā)酵系統(tǒng)出現(xiàn)雜菌污染或其他問題。,（二）狀態(tài)參數(shù),對(duì)一些亞好氧的生物發(fā)酵反應(yīng)如某些氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)，在產(chǎn)物積累時(shí)， 只需很低的溶解氧水平，過高或過低都會(huì)影響生產(chǎn)效率。這樣低的溶 解氧濃度使用目前的溶氧電極是無法測(cè)定的，故使用氧化還原電極電 位計(jì)（orp儀）來測(cè)定微小的溶氧值。,（二）狀態(tài)參數(shù),4發(fā)酵液中溶解co2濃

23、度 對(duì)通氣發(fā)酵生產(chǎn)，由于生物細(xì)胞的呼吸和生物合成，培養(yǎng)液中的氧會(huì) 被部分消耗，而溶解的co2含量會(huì)升高。對(duì)大部分的好氧發(fā)酵，當(dāng)發(fā) 酵液中溶解co2濃度增至某值時(shí)，就會(huì)使細(xì)胞生長和產(chǎn)物生成速率下 降。例如組氨酸發(fā)酵，二氧化碳分壓應(yīng)低于0.005mpa；而精氨酸發(fā)酵， co2分壓應(yīng)在0.015 mpa以下，否則會(huì)使生產(chǎn)效率降低。當(dāng)然，對(duì)光照 自氧的微藻培養(yǎng)，則適當(dāng)提高co2濃度就有利于細(xì)胞產(chǎn)量的提高。,（二）狀態(tài)參數(shù),5細(xì)胞濃度及酶活特性 生化反應(yīng)過程都是通過菌體的各種酶類來促使反應(yīng)進(jìn)行的，而菌體的 濃度與酶的活動(dòng)中心密切相關(guān)。通過菌體干重的測(cè)定，可以了解生物 的生長狀態(tài)，從而控制和改變生產(chǎn)工藝或

24、補(bǔ)料和供氧，保證達(dá)到較好 的生產(chǎn)水平。當(dāng)然，以酶做催化劑的生化反應(yīng)，則酶濃度（活度）是 必須檢測(cè)監(jiān)控的參變量。,（二）狀態(tài)參數(shù),6菌體形態(tài) 在生化反應(yīng)過程中，菌體形態(tài)的變化也是反應(yīng)它的代謝變化的重要 特征。可以根據(jù)菌體的形態(tài)不同，區(qū)分出不同的發(fā)酵階段和菌體的 質(zhì)量。,（三）間接參數(shù),間接參數(shù)是指那些通過基本參數(shù)計(jì)算求得的參數(shù)，如氧利 用速率（our）、二氧化碳釋放速率（cer）、比生產(chǎn)速 率（）、體積氧傳質(zhì)速率（kla）、呼吸熵（rq）等。 通過對(duì)發(fā)酵罐作物料平衡可計(jì)算后者反映微生物的代謝狀 況，尤其能提供從生長向生產(chǎn)過渡或主要基質(zhì)間的代謝過 渡指標(biāo)。,（三）間接參數(shù),1呼吸代謝參數(shù) 微生物的

25、呼吸代謝參數(shù)通常有三個(gè)：即微生物的氧利用速率， 二氧化碳釋放速率，和呼吸熵。假設(shè)流出反應(yīng)器的氣體流量 與空氣流入量相等，空氣中氧濃度為21%，二氧化碳的濃度 為零，測(cè)量到排出氣體的氧濃度為 ，二氧化碳的濃度為 ， 則由氣相物料平衡計(jì)算可得：,（三）間接參數(shù),氧利用速率（our） （7-49） 二氧化碳釋放速率（cer） （7-50） 呼吸熵（ ） （7-51） 其中 空氣流量，m3/min； 反應(yīng)液體積，m3。,（三）間接參數(shù),2菌體比生長速率 每小時(shí)每單位重量的菌體所增加的菌體量稱為菌體的比生 長速率，單位為1/h。菌體的比生長速率與生物的代謝有 關(guān)。例如，在抗生素合成階段，若比生長速率過大

26、，菌體 量增加過多，代謝向菌體合成的方向發(fā)展，這不利于合成 抗生素。菌體的比生長速率是生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)重 要參數(shù)。,（三）間接參數(shù),3氧比消耗速率（ro2） 氧比消耗速率稱為菌體的呼吸強(qiáng)度，即每小時(shí)每單位重量 的菌體所消耗的氧的數(shù)量，其單位為毫克分子氧/克干菌體 小時(shí)。例如，在抗生素生產(chǎn)過程中，根據(jù)抗生素比生產(chǎn)速率 與氧比消耗速率的關(guān)系，可以求得菌體最適當(dāng)?shù)难醣认乃?率。,二、檢測(cè)方法與儀器,研究微生物生長過程所需要的檢測(cè)參數(shù)大多是通過在反 應(yīng)器中配置各種傳感器和自動(dòng)分析儀來實(shí)現(xiàn)的。這些裝 置能把非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)適當(dāng)處理 后，可用于監(jiān)測(cè)發(fā)酵的狀態(tài)、直接作發(fā)酵閉環(huán)控制和

27、計(jì) 算間接參數(shù)。圖7-2為生物反應(yīng)器配置傳感器或檢測(cè)裝 置的示意說明圖。,二、檢測(cè)方法與儀器,二、檢測(cè)方法與儀器,一般可粗略地把檢測(cè)儀器分成: 在線檢測(cè)（on-line measurement） 離線檢測(cè)（off-line measurement） 在線檢測(cè):是儀器的電極等可直接與反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基 接觸或可連續(xù)從反應(yīng)器中取樣進(jìn)行分析測(cè)定，如溶氧濃度、 ph、罐壓等； 離線測(cè)量:是指在一定時(shí)間內(nèi)離散取樣，在反應(yīng)器外進(jìn)行樣 品處理和分析的測(cè)量，包括常規(guī)的化學(xué)分析和自動(dòng)實(shí)驗(yàn)分 析系統(tǒng)。,二、檢測(cè)方法與儀器,表7-3典型生物狀態(tài)變量的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度或控制變量的精度,二、檢測(cè)方法與儀器,表7-3典型生

28、物狀態(tài)變量的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度或控制變量的精度,二、檢測(cè)方法與儀器,發(fā)酵過程對(duì)傳感器的要求： 1.發(fā)酵過程對(duì)傳感器的常規(guī)要求為準(zhǔn)確性、精確度、靈敏度、 分辨能力要高，響應(yīng)時(shí)間滯后要小，能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作， 可靠性好，具有可維修性。 2.對(duì)發(fā)酵用傳感器的特殊要求是由發(fā)酵反應(yīng)的特點(diǎn)決定的， 發(fā)酵底物中含有大量的微生物，必須考慮衛(wèi)生要求，發(fā)酵過 程中不允許有其他雜菌污染。 3.傳感器與發(fā)酵液直接接觸，一般要求傳感器能與發(fā)酵液同 時(shí)進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，不能耐受蒸汽滅菌的傳感器可在罐外 用其他方法滅菌后無菌裝入。,二、檢測(cè)方法與儀器,發(fā)酵過程對(duì)傳感器的要求： 5.發(fā)酵用傳感器容易被培養(yǎng)基和細(xì)菌污染，應(yīng)選用不

29、易污染 的材料如不銹鋼，同時(shí)要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇無死角的形狀 和結(jié)構(gòu)，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。 6.傳感器只與被測(cè)變量有關(guān)而不受過程中其他變量和周圍環(huán) 境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。 由于上述種種原因，使得許多傳感器，尤其是檢測(cè)化學(xué)物質(zhì) 濃度、微生物質(zhì)濃度的傳感器，很難在工業(yè)規(guī)模的生化過程 中使用。,二、檢測(cè)方法與儀器,發(fā)酵過程對(duì)傳感器的要求： 5.發(fā)酵用傳感器容易被培養(yǎng)基和細(xì)菌污染，應(yīng)選用不易污染 的材料如不銹鋼，同時(shí)要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇無死角的形狀 和結(jié)構(gòu)，防止微生物附著及干擾，便于清洗，不允許泄漏。 6.傳感器只與被測(cè)變量有關(guān)而不受過程中其他變量和周圍環(huán)

30、 境條件變化影響的能力，如抗氣泡及泡沫干擾等。 由于上述種種原因，使得許多傳感器，尤其是檢測(cè)化學(xué)物質(zhì) 濃度、微生物質(zhì)濃度的傳感器，很難在工業(yè)規(guī)模的生化過程 中使用。,第三節(jié) 控制理論與應(yīng)用,一、生物過程的控制特征 二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用,一、生物過程的控制特征,（一）溫度的控制 生物反應(yīng)的最佳溫度范圍是比較狹窄的，所以發(fā)酵過程需把生物反應(yīng)器的溫度控制在某一定值或區(qū)間內(nèi)。最適發(fā)酵溫度的選擇往往既要考慮有利于提高生物合成反應(yīng)的速度，又要顧及生物合成反應(yīng)的持久性，同時(shí)還要兼顧其它環(huán)境條件的影響。此外，對(duì)于次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成來說，由于初級(jí)代謝和次級(jí)代謝的酶系不同，適合于微生物生長和產(chǎn)物合

31、成的溫度也可能不同，故在整個(gè)發(fā)酵過程中應(yīng)根據(jù)生長和產(chǎn)物合成的不同需要，在不同的發(fā)酵階段選擇不同的溫度。影響生化反應(yīng)溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電極攪拌熱、冷卻水本身的溫度以及周圍環(huán)境溫度的改變。,一、生物過程的控制特征,（一）溫度的控制 生化反應(yīng)器采用通冷卻水的方式帶走生化反應(yīng)熱。其冷卻水冷卻的方式有兩種，小型的采用夾套冷卻形式，而大型的生化反應(yīng)器通常采用在反應(yīng)器內(nèi)裝盤管冷卻器的形式。 在冷卻水溫度比較穩(wěn)定的情況下，生化反應(yīng)器的溫度常采用單回路的pid控制。這樣的溫度控制系統(tǒng)由四個(gè)環(huán)節(jié)組成，即溫度測(cè)量元件，通常用鉑熱電阻溫度計(jì)t，控制器 ，調(diào)節(jié)閥和被控過程的生化反應(yīng)器（發(fā)酵罐）。,一、生物過

32、程的控制特征,一、生物過程的控制特征,（二）ph的控制 發(fā)酵液的ph值既是培養(yǎng)基理化性質(zhì)的反映，又是微生物 生長代謝的結(jié)果，反過來又影響微生物生長和發(fā)酵產(chǎn)物 的合成。不適當(dāng)?shù)膒h值將顯著降低微生物的生長速度， 減少發(fā)酵產(chǎn)物，甚至完全沒有發(fā)酵產(chǎn)物的形成。,一、生物過程的控制特征,（二）ph的控制 前已述及，ph是發(fā)酵過程中代謝平衡，特別是碳、氮平衡的反映。一般說來， ph上升多半是碳代謝不足，這時(shí)應(yīng)考慮增加培養(yǎng)基中糖濃度（采用補(bǔ)糖的辦法）； 相反，ph下降主要是由于碳源過量或氮源不足，這時(shí)應(yīng)降低培養(yǎng)基中的糖濃度 （減少或停止補(bǔ)糖）或增加容易利用的氮源的濃度（如補(bǔ)玉米漿、通氨或補(bǔ)硝酸 鹽）。因此，

33、以ph作為補(bǔ)料控制的指標(biāo)，在微生物發(fā)酵過程優(yōu)化控制中有著十分 重要的意義。例如，青霉素發(fā)酵采用調(diào)節(jié)補(bǔ)糖的方法維持ph的穩(wěn)定，比用酸、堿 調(diào)節(jié)ph的恒速補(bǔ)糖法，使最終發(fā)酵產(chǎn)量提高25%。其次，對(duì)于次級(jí)代謝產(chǎn)物， 生長期與生產(chǎn)期的最適ph往往是不同的。,一、生物過程的控制特征,（二）ph的控制 發(fā)酵過程中ph的控制首先要考慮基礎(chǔ)培養(yǎng)基中生理酸、堿物質(zhì)的平衡，使 他們能夠均衡代謝以保持ph的穩(wěn)定性。其次是維持生理酸、堿性物質(zhì)在補(bǔ) 料中的平衡，使其不致因?yàn)檠a(bǔ)料而造成ph大的幅度波動(dòng)。再次是當(dāng)ph一旦 發(fā)生較大的波動(dòng)，在偏離最適ph范圍前，適當(dāng)加入酸、堿予以調(diào)節(jié)。,一、生物過程的控制特征,（二）ph的控

34、制 工業(yè)上常用的生化反應(yīng)器的ph控制系統(tǒng)如圖7-19。系統(tǒng)由ph測(cè)量電極和變送 器、ph控制器、空氣開關(guān)和氣動(dòng)開關(guān)閥組成。氨水不是直接加入反應(yīng)器，而是 通過空氣管道與空氣一起送入反應(yīng)器，這樣使氨水充分分散于發(fā)酵液中，不會(huì) 造成局部ph值的偏高或偏低。為了防止調(diào)節(jié)閥門的泄漏，調(diào)節(jié)閥采用氣動(dòng)開關(guān) 閥，它由電磁空氣開關(guān)來控制。所以，ph控制系統(tǒng)是一開關(guān)控制系統(tǒng)，控制器 根據(jù)ph偏差信號(hào)計(jì)算出開關(guān)閥門開關(guān)周期和開與關(guān)的時(shí)間長短，來控制輸入的 氨水的量，從而達(dá)到控制ph的目的。,一、生物過程的控制特征,（二）ph的控制,一、生物過程的控制特征,（三）溶氧控制 由于微生物發(fā)酵過程涉及許多氧化反應(yīng)，故氧作為

35、反應(yīng)的 參與者和其它基質(zhì)一樣，它在發(fā)酵液中的濃度將直接影響 產(chǎn)物的合成。但是氧在發(fā)酵液中的溶解度較低，一般不會(huì) 像其他基質(zhì)那樣因過高的濃度產(chǎn)生生物合成抑制或阻遏反 應(yīng)，而較常見的是溶氧濃度過低對(duì)生物合成的限制。,一、生物過程的控制特征,（三）溶氧控制 由于溶氧濃度受到傳氧與耗氧兩方面影響，故它的控制也因從這兩方面入手，從耗氧方面考慮，在以糖為生長限制基質(zhì)的情況下，當(dāng)溶氧濃度偏低時(shí)，可減少補(bǔ)糖率以降低菌體生長速率；反之，增加補(bǔ)糖率來提高菌體生長速率。 在這種意義上，溶氧濃度可作為補(bǔ)料控制的依據(jù)。從傳氧方面考慮，一般通過加大攪拌轉(zhuǎn)速、通氣量或罐頂壓力的方法，提高氧傳遞速率。,一、生物過程的控制特征

36、,（三）溶氧控制 溶解氧的控制系統(tǒng)如圖7-20，圖中溶解氧通過控制發(fā)酵罐壓力和空氣流量的方法來控制。系統(tǒng)由溶解氧電極和變送器、溶解氧多路控制器、壓力控制系統(tǒng)和空氣流量控制系統(tǒng)組成。由于壓力控制系統(tǒng)與空氣流量控制系統(tǒng)相互有影響，即有耦合作用。因?yàn)樘岣甙l(fā)酵壓力，使發(fā)酵中二氧化碳的溶解度也增加，這不僅會(huì)改變發(fā)酵液的ph值，而且會(huì)影響氧的溶解度，因此，常用控制溶解氧的方法控制空氣流量。,一、生物過程的控制特征,（三）溶氧控制,一、生物過程的控制特征,（四）補(bǔ)料控制 在補(bǔ)料發(fā)酵過程中，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，微生物生長和代謝都要求連續(xù)不斷地補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)，使微生物生長沿著優(yōu)化的生長軌跡生長，以獲得高產(chǎn)的微生物代謝

37、產(chǎn)物。由于微生物的濃度和代謝狀況無法實(shí)時(shí)在線測(cè)量，使得補(bǔ)料控制一直都極為困難。近年來，隨著理論研究和工業(yè)應(yīng)用的不斷發(fā)展，從補(bǔ)料方式到計(jì)算機(jī)最優(yōu)化控制等都取得了較大進(jìn)展。就補(bǔ)料方式而言，有連續(xù)流加和變速流加。每次流加又可分為快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加。從補(bǔ)加的培養(yǎng)基成分分，又可分為單一組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料等等。,一、生物過程的控制特征,（四）補(bǔ)料控制 為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，了解這些參數(shù)對(duì)于微生物代謝菌體生長、基質(zhì)利用及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。采用的最優(yōu)的補(bǔ)料程序也是依賴于比生長曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。因此，欲建立補(bǔ)料培養(yǎng)的數(shù)學(xué)模型及選擇最佳控

38、制程序，都必須充分了解微生物在發(fā)酵過程中的代謝規(guī)律及對(duì)環(huán)境條件的要求。 圖7-21為工業(yè)上常用的發(fā)酵過程補(bǔ)料控制原理圖。補(bǔ)料控制實(shí)際上是流量控制，整個(gè)控制系統(tǒng)由流量測(cè)量環(huán)節(jié)、流量控制器和調(diào)節(jié)閥組成。其中流量測(cè)量環(huán)節(jié)可用電磁流量計(jì)或帶遠(yuǎn)傳轉(zhuǎn)子流量計(jì)來測(cè)量。,一、生物過程的控制特征,（四）補(bǔ)料控制,二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用,（一）模糊邏輯控制在生化過程中的應(yīng)用 在好氧性發(fā)酵過程中，發(fā)酵液中的氧參與菌體的生長、產(chǎn)物的形成和 維持細(xì)胞代謝，因此發(fā)酵液中的溶氧(do)是發(fā)酵過程的一個(gè)重要參數(shù)。 影響罐內(nèi)物料溶氧值的因素主要細(xì)菌需氧量、通風(fēng)量、罐壓及攪拌轉(zhuǎn)速。 其中發(fā)酵不同階段的需氧量由實(shí)驗(yàn)及

39、經(jīng)驗(yàn)確定，是不可控因素。因此在 攪拌器轉(zhuǎn)速恒定的情況下，可控因素為通風(fēng)流量和罐壓。工藝要求罐壓 p和通流量q穩(wěn)定，超調(diào)小。工藝上罐壓由進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的開度控制，通風(fēng) 流量則由出氣調(diào)節(jié)閥的開度控制，兩個(gè)回路之間相互關(guān)聯(lián)，采用常規(guī)pi 控制難于穩(wěn)定，易失控及振蕩，有較大的超調(diào)。,二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用,（一）模糊邏輯控制在生化過程中的應(yīng)用 因此在這兩個(gè)控制回路中引入模糊控制概念，即將二者的相互影響適當(dāng) 量化，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，實(shí)時(shí)控制時(shí)，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)整定兩組pi參數(shù)，注意 將二者的頻域拉開，然后對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)(即p、q)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)預(yù)定的 步驟和指標(biāo)進(jìn)行模糊推理，自動(dòng)對(duì)pi參數(shù)超前修正。實(shí)施該

40、控制方案可 基本上消除壓力和流量回路的耦合。再根據(jù)發(fā)酵不同階段的溶氧設(shè)定值 調(diào)整通風(fēng)流量，形成定罐壓下的溶氧串級(jí)pid模糊控制，其框圖如圖1 所示。其中：為罐壓回路，定值控制；q為通風(fēng)流量，串級(jí)副回路； do為溶氧，串級(jí)主回路。,二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用,（一）模糊邏輯控制在生化過程中的應(yīng)用,二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用,（一）模糊邏輯控制在生化過程中的應(yīng)用 tanaka等在堿性纖維素酶的工業(yè)規(guī)模發(fā)酵中采用一改良 的基于模糊推理的故障檢測(cè)系統(tǒng)來減少操作人員的監(jiān)督 時(shí)間。此檢測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)失靈程度的計(jì)算，自動(dòng)將 發(fā)酵過程分成正常、較不正常和異常3種狀態(tài)。只有在較 不正常的狀態(tài)下才需要操作人員去監(jiān)督操作。采用這種改 良系統(tǒng)在125m3發(fā)酵罐中做了200批試驗(yàn)，只有2批屬于 異常，1批屬于較不正常。使用結(jié)果，操作人員的總監(jiān)督 時(shí)間大為減少。,二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用,（一）模糊邏輯控制在生化過程中的應(yīng)用 模糊控制的控制規(guī)則的來源依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，因此 設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的正確與否以及是否最優(yōu)，直接關(guān)系到整 個(gè)模糊控制器的控制效果。且模糊控制器不具備學(xué)習(xí)能 力，因此不可能根據(jù)過程的歷史記錄來消除人為設(shè)計(jì)的 模糊規(guī)則的主觀性。,二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用,（二）生化過程知識(shí)庫系統(tǒng) 由于生化過程中的重要變量都無法在線測(cè)