流量计在生物发酵连续补料中的应用

生物发酵工程是生物工程的重要组成部分，采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。主要产品有：食品类、酒精、抗生素类、维生素类、氨基酸类、酶制剂类、生物农药以及醇类等。

发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。

发酵工程中的中游工程发酵是其最重要的部分，发酵生产过程机理十分复杂，要实现低投入高产出的目的，必须有效控制维持罐内的物理、化学条件，使微生物细胞呈现出最佳的性能，生成和积累大量产物。所以就需要连续补料控制、加酸、加碱调节维持微生物的最佳性能，需要流量计满足灭菌要求、耐酸碱腐蚀、连续补料准确等性能。

以抗生素为例，抗生素是微生物次级代谢的产物，而发酵中期则是菌丝代谢和分泌抗生素的旺盛期。到了发酵中后期，部分营养物消耗接近完毕，发酵液中的废料越来越多，菌体逐渐趋向衰老并自溶。通过补料措施，能够适当控制和掌握发酵条件使生产菌在分泌阶段有足够而不过剩的养料，维持其正常的代谢活动和大量地分泌代谢产品。一般根据补充料的性质不同可分为补充碳元、氮元、无机盐、水、前体等。

目前国外发酵生产过程连续补料有采用流量计。电磁流量计和质量流量计，质量流量计计量，使用流量计计量可以测量物质的密度，更好的评估补料后的效果，然后通过小型电动或者气动隔膜调节阀来实现连续补料的控制。

由于微生物在发酵周期中对各种补充物的需求量并不是线形或阶段添加的，所以在补料分批（fed - batch culture 简称FBC）培养过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法是优于传统的分批集中补料培养的。这样我们可以优化罐内产物小环境，调配罐内的PH、DO 以及尾气等相关化学量。而且可以实现放料和补料同步，放出发酵后期的发酵液，补充一部分新鲜的营养液，有利于提高产物产量，降低成本，使发酵指数大幅提高。

以下为某产物的对比数据（可以看到连续补料明显好于分批集中补料）：

表1.某产物发酵生产CPC 的性能比较

为了优化发酵罐内的小环境，我们需要监控许多参数。通过各种计量仪表，跟踪相关参数，然后根据自己对产物需要参数的经验，调整优先顺序，不断优化工艺流程。科隆KROHNE 解决方案包括以下。

电磁流量计：测量循环水流量及控制PH 值的酸碱液流量。

质量流量计：测量营养物、阻沫剂、积液等电导率低或精度要求较高的介质。

雷达液位计：测量发酵罐内液面高度。

涡街、转子流量计：二氧化碳、氮气、氧气等进出发酵罐的气体的测量。

其 他：温度、压力、PH、溶氧等。

1电磁流量计OPTIFLUX 系列

多种衬里、电极材质及电极形式选择，满足各种腐蚀性及耐磨损要求，独有的低噪声电极适用于各种浆料及纤维介质。提供种类全面的电磁流量计：非满管、低电导率、插入式、高压型、电池供电等。工厂拥有大口径高达DN3000 的水流量标定装置，确保测量的准确性。

2 质量流量计OPTIMASS 系列

针对不同工况提供多种形式的质量流量计：直管质量流量计无阻流部件，可以提供多种测量管材质、耐磨损、压损小、自排空技术易于排污、清洗，满足卫生等级要求并且可以提供卫生认证。弯管质量流量计提供更宽的温度压力范围。可以直接测量质量流量、密度和温度，也可以间接计算体积流量和浓度、糖度。专利的自适应传感技术（AST）避免工艺管道震动对仪表的影响。

3雷达液位计

OPTIFLEX 系列导波雷，达测量天线接触介质，信号通过天线传到液面，实现可靠测量，可以测量电导率较低的介质，且测量不受雾气、泡沫等的影响。OPTIWAVE 系列非接触雷达，测量天线不与测量介质接触，不受搅拌等特殊工况的影响。调频连续波（FMCW）方式连续不间断的监测储罐，高频雷达测量范围较大。

如今，连续补料控制技术在国外的运用日臻成熟，而且国内一些新建项目以及菌种对生长环境有挑剔要求的场合也已经开始在使用，相信随着国内厂家对产品品质的要求不断提高，以及工业自动化意识的加强，生物行业会越来越多地将连续补料控制方式运用到生产之中。