【正文】 電壓，記錄在不同的電壓下通過的電流，這時發(fā)生溶解氧被還原成H2O2的反應：酸性時：O2+2H++2e H2O2 （1032）中性或堿性時：O2+2H2O+2e H2O2+2OH （1033），與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生上述電極反應而被消耗，陰極表面便與液體的主體存在氧的濃度差，于是液體主體的溶解氧擴散到陰極表面參加電極反應，使電路中維持一定的電流。當氧的擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，擴散電流為： （1034）其中 i：擴散電流（A） F：Faraday常數(shù) A：陰極表面積（m2） CL：陰極表面溶氧濃度（mol/m3） L：液膜厚度（m）由于電極反應很快，Cc實際上可視為零，因此 i=KDLCL （1035）也就是擴散電流和溶解氧濃度成正比。當溶解氧濃度為零時，電路中仍會有一定電流通過(殘余電流)，所以式(1034)和式(1035)中的電流i應為測定值與殘余電流之差。通過測定擴散電流的大小就可測定發(fā)酵液中的溶氧濃度。（3）壓力法圖1036 壓力法測定氣體溶解度裝置測定裝置為一恒溫的密閉容器，見圖1036。容器中裝入體積為VL的樣品液，液面恰位于容器中的玻璃板處，抽真空除去液體中溶解的氣體，然后補充經脫氣的溶劑使液體體積恢復到VL。從貯氣袋向容器通入氧氣，系統(tǒng)的氧壓為p1，開動攪拌，使液體不斷從玻璃板上翻動，進行氣體的吸收，直到氣液平衡，這時壓強降為p2。如果容器中氣相體積為VG，可以求出氧在樣品中的溶解度。3，控制發(fā)酵液中溶解氧的工藝手段發(fā)酵液中溶解氧濃度的任何變化都是供需平衡的結果。調節(jié)發(fā)酵液中溶解氧含量不外從供、需兩個方面去考慮。供氧： （1036）需氧：r= Qo2X （1037）根據(jù)式（1036），在供氧方面，主要是設法提高氧的傳遞推動力和氧傳遞速率常數(shù)，因此影響供氧效果的主要因素有：①空氣流量(通風量)；②攪拌轉速；③氣體組分中的氧分壓；④罐壓；⑤溫度；⑥培養(yǎng)基的物理性質等。而從式1037可知，影響需氧的則是菌體的生理特性、培養(yǎng)基的豐富程度、溫度等。因此控制發(fā)酵液中溶解氧的工藝手段有以下幾種：（1）改變通氣速率(增大通風量)改變通氣速率主要是通過變化KLa來改變供氧能力。有兩種情況：①在低通氣量的情況下，增大通氣量對提高溶氧濃度有十分顯著的效果。②在空氣流速已經十分大的情況下，在不改變攪拌轉速的情況下，由于攪拌功率的下降，反而會導致溶氧濃度的下降，同時會產生某些副作用。比如：泡沫的形成、水分的蒸發(fā)、罐溫的增加、以及染菌幾率增加等。（2）改變攪拌速度一般說來，改變攪拌速度的效果要比改變通氣速率大，這是因為：(1)通氣泡沫被充分破碎，增加有效氣液接觸面積；(2)液流滯流增加，氣泡周圍液膜厚度和菌絲表面液膜厚度減小，并延長了氣泡在液體中的停留時間，因而就較明顯地增加KLa，提高了供氧能力?？捎孟率絹肀硎居脭嚢璺绞娇刂迫苎跸到y(tǒng)的特性： （1038）式中 0UR：攝氧率，為菌體的耗氧能力和菌體濃度的綜合結果；K：調節(jié)對象放大倍數(shù)，定義為每變化單位轉速所引起的溶氧濃度的變化；n：攪拌器轉速；A、α：設備系數(shù)，與通風量、設備及發(fā)酵液的物料特性有關。 由式1038可以看出： ①當轉速n較低時，增大n對K有明顯作用； ②當轉速n很高時，K值趨向于零，此時，增大n就起不到調節(jié)的作用。同時增大轉速，不僅會使消耗功率增大，還會由于攪拌的剪切作用，打碎菌絲體，促使菌體自溶并減少產量。 （3）改變氣體組成中的氧分壓 用通入純氧方法來改變空氣中氧的含量，提高了C*值，因而提高了供氧能力。純氧成本較高，但對于某些發(fā)酵需要時，如溶氧低于臨界值時，短時間內加入純氧有效而可行的，這種方法在實驗室動植物細胞培養(yǎng)中已被采用。 其他富氧裝置也在開發(fā)，但因成本核算問題，離實際工業(yè)生產使用還有距離。 （4）改變罐壓 增加罐壓實際上就是改變氧的分壓Po2來提高C*，從而提高供氧能力，但此法不是十分有效，主要原因是： ①提高罐壓就要相應地增加空壓機的出口壓力，也就是增加了動力消耗。 ②發(fā)酵罐的強度也要相應增加。 ③提高罐壓后，產生的CO2溶解量也要增加，會使培養(yǎng)液的pH值發(fā)生變化，這些對菌體生產都極為不利。 （5）改變發(fā)酵液的理化性質 在發(fā)酵過程中，菌體本身的繁殖及代謝可引起發(fā)酵液性質不斷改變，例如改變培養(yǎng)液的表面張力、粘度及離子強度等就影響培養(yǎng)液中氣泡的大小、氣泡的溶解性、穩(wěn)定性以及合并為大氣泡的速率。 同時發(fā)酵液的性質還影響到液體的流動及界面或液膜的阻力，因而顯著地影響到氧的溶解速度，而且由于發(fā)酵液中菌絲濃度所引起的表觀粘度的增加，可使通氣速率下降。如果培養(yǎng)基性質為限制氧傳遞因素時，就根據(jù)具體情況對培養(yǎng)液的某一物理性質所作的改造，例如加消沫劑，補加無菌水，改變培養(yǎng)基的成分等都可以改善通氣效果，以適應菌的正常生長。 （6）加入氧載體 近年來通過氧載體的加入來提高發(fā)酵系統(tǒng)的傳氧系數(shù)已引起了注意。這些氧載體一般是不溶于發(fā)酵液的液體，呈乳化狀態(tài)來提高氣液相之間的傳遞，也就是說在氣液之間起到了氧傳遞的促進作用。常用的氧載體有：①血紅蛋白；②烴類碳氫化合物(煤油、石蠟、甲苯與水等)；③含氟碳化物。表104中列出了各種控制溶氧水平的可供選擇的工藝手段。表104 溶氧控制方法的比較方 法作用于投 資運轉成本效果對生產作用備 注氣體成分攪拌速度檔板通氣速率罐壓基質濃度溫度表面活性劑C*KLaKLaC*aC*需氧需氧KL中到低高中低中到高中低低高低低低低低低低高高高低中高變化變化好好好好不一定不一定不一定氣相中高氧可能會爆炸，適用于小規(guī)模在一定限度內，要避免過分剪切設備上須改裝可能引起泡沫罐強度要求高，對密封，探頭有影響響應較慢須及早行動不是常應用需試驗確定第三節(jié) 機械攪拌發(fā)酵罐的設計機械攪拌發(fā)酵罐主要由攪拌裝置、軸封和罐體三部分組成。三個組成部分各起如下的作用:（1）攪拌裝置：由傳動裝置、攪拌軸、攪拌器組成 ,由電動機和皮帶傳動驅動攪拌軸使攪拌器按照一定的轉速旋轉 ,以實現(xiàn)攪拌的目的。（2）軸封：為攪拌罐和攪拌軸之間的動密封 ,以封住罐內的流體不致泄漏。（3）罐體：罐體、加熱裝置及附件。它是盛放反應物料和提供傳熱量的部件。一、設計內容和步驟1，設備本體的設計（1）罐體的設計包括：筒體的設計、計算、封頭的設計和計算、罐體壓力試驗時應力校核及容積驗算。（2）附件的設計選取包括：接管尺寸的選擇、法蘭的選取、開孔及開孔補強、人孔及其它、傳熱部件的計算、擋板、中間支承、扶梯的選取（3）攪拌裝置的設計包括：傳動裝置的設計、攪拌軸的設計、聯(lián)軸器的選取、軸承的選取及其軸承壽命的核算、密封裝置的選取、攪拌器的設計、攪拌軸的臨界轉速。（4）設備的強度及穩(wěn)定性檢驗包括：設備承受各種載荷的計算（設備重量載荷的計算、設備地震彎矩的計算、偏心載荷的計算）、塔體強度及穩(wěn)定性檢驗、裙座的強度計算及校核（裙座計算、基礎環(huán)的計算、地腳螺栓計算）、裙座與筒體對接焊縫驗算。二、發(fā)酵罐的結構計算1，罐容積的計算根據(jù)生產規(guī)模和發(fā)酵水平計算每日所需發(fā)酵液的量，再根據(jù)這一數(shù)據(jù)確定發(fā)酵罐的容積。例如，一年產5萬檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產日期為300天，發(fā)酵周期為96小時。則，每日的產量=50000/300= 噸每日所需發(fā)酵液的量=（）= 米3假定發(fā)酵罐的裝液系數(shù)為85%則每日所需發(fā)酵罐容積=取發(fā)酵罐的公稱容積為250米3則每日需要6個發(fā)酵罐發(fā)酵周期為4天，考慮放罐洗罐等輔助時間，整個周期為5天。則所需發(fā)酵罐的總數(shù)=56+1=31個2，結構尺寸的計算（1）發(fā)酵罐圓柱體的直徑根據(jù)已確定的發(fā)酵罐公稱容積，可由下式計算發(fā)酵罐圓柱體的直徑。（2）封頭的容積的計算橢圓形封頭的容積可查手冊或按下式計算：（3）罐的全容積（4）發(fā)酵罐總高度（5）液柱高度：（6）裝料容積（7）發(fā)酵罐的容積裝料系數(shù)三、附屬結構的計算1，擋板數(shù)量和尺寸計算2，攪拌器的設計計算 首先根據(jù)生產菌種和發(fā)酵類型選定攪拌器的類型，再從已計算出的發(fā)酵罐的直徑計算攪拌器相應的結構尺寸。四、冷卻面積的計算1，發(fā)酵過程的熱量計算 通常以一年中最熱的半個月中每小時放出的熱量作為設計冷卻面積的根據(jù)。 發(fā)酵過程中放出熱量的計算方法有：①通過冷卻水帶走的熱量進行計算；②通過發(fā)酵液的溫度升高進行計算；③通過生物合成熱進行計算；④通過燃燒熱進行計算。(1)通過冷卻水帶走的熱量進行計算根據(jù)工藝設計的要求，選定同類型的發(fā)酵罐，于氣溫最熱的季節(jié)，選擇主發(fā)酵期產生熱量最快最大的時刻，測定冷卻水進口的水溫及冷卻水出口的水溫，并測定此時每小時冷卻水的用量，按下式計算單位體積發(fā)酵液每小時傳給冷卻器的最大熱量。根據(jù)不同類型的發(fā)酵液測得每米3發(fā)酵液每小時傳給冷卻器最大的熱量為：6000千焦／米3小時，4500千焦／米3 小時，5000千焦／米小時，4200干焦／，7500千焦／米3 小時。(2)通過發(fā)酵液的溫度升高進行計算于氣溫最熱的季節(jié)選擇主發(fā)酵期產生熱量最快最大的時刻，通過罐溫的自動控制，先使罐溫達到恒定，關閉冷卻水，觀察罐內發(fā)酵液在半小時內上升的溫度，再換算為一小時內上升的溫度，則可按下式計算出單位體積發(fā)酵液每小時放出最大熱量的近似值。(3)通過生物合成進行計算 發(fā)酵過程中的熱量包括發(fā)酵過程散發(fā)熱和攪拌熱?？偘l(fā)酵熱可按下式計算：攪拌器所產生的熱量可用下列近似公式計算: 汽化熱Q3的計算：(4)通過燃燒熱進行計算根據(jù)赫斯定律：熱效應決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無關。反應的熱效應，等于產物的生成熱的總和減去作用物的生成熱的總和。2，冷卻面積的計算 根據(jù)經驗： (300~450)千焦/米3小時℃，如管壁較薄，對冷卻水進行強制循環(huán)時， 根據(jù)查定，(800~1000)千焦/米3 小時℃。冷卻排管的傳熱系數(shù)可按下式計算：42 / 42