【正文】 ℃。℃，如管壁較薄，對冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)時， 根據(jù)查定，(800~1000)千焦/米3 2，冷卻面積的計算 根據(jù)經(jīng)驗： (300~450)千焦/米3總發(fā)酵熱可按下式計算：攪拌器所產(chǎn)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(jìn)行計算根據(jù)赫斯定律：熱效應(yīng)決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無關(guān)。(2)通過發(fā)酵液的溫度升高進(jìn)行計算于氣溫最熱的季節(jié)選擇主發(fā)酵期產(chǎn)生熱量最快最大的時刻，通過罐溫的自動控制，先使罐溫達(dá)到恒定，關(guān)閉冷卻水，觀察罐內(nèi)發(fā)酵液在半小時內(nèi)上升的溫度，再換算為一小時內(nèi)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。小時，4200干焦／，7500千焦／米3 小時，4500千焦／米3 (1)通過冷卻水帶走的熱量進(jìn)行計算根據(jù)工藝設(shè)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(chǎn)生熱量最快最大的時刻，測定冷卻水進(jìn)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。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(shè)計冷卻面積的根據(jù)。則所需發(fā)酵罐的總數(shù)=56+1=31個2，結(jié)構(gòu)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。例如，一年產(chǎn)5萬檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產(chǎn)酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產(chǎn)日期為300天，發(fā)酵周期為96小時。（4）設(shè)備的強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢驗包括：設(shè)備承受各種載荷的計算（設(shè)備重量載荷的計算、設(shè)備地震彎矩的計算、偏心載荷的計算）、塔體強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢驗、裙座的強(qiáng)度計算及校核（裙座計算、基礎(chǔ)環(huán)的計算、地腳螺栓計算）、裙座與筒體對接焊縫驗算。一、設(shè)計內(nèi)容和步驟1，設(shè)備本體的設(shè)計（1）罐體的設(shè)計包括：筒體的設(shè)計、計算、封頭的設(shè)計和計算、罐體壓力試驗時應(yīng)力校核及容積驗算。（3）罐體：罐體、加熱裝置及附件。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(jī)和皮帶傳動驅(qū)動攪拌軸使攪拌器按照一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,以實(shí)現(xiàn)攪拌的目的。表104中列出了各種控制溶氧水平的可供選擇的工藝手段。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(jìn)作用。如果培養(yǎng)基性質(zhì)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(zhì)所作的改造，例如加消沫劑，補(bǔ)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(yīng)菌的正常生長。 （5）改變發(fā)酵液的理化性質(zhì) 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(zhì)不斷改變，例如改變培養(yǎng)液的表面張力、粘度及離子強(qiáng)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。 ②發(fā)酵罐的強(qiáng)度也要相應(yīng)增加。 其他富氧裝置也在開發(fā)，但因成本核算問題，離實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)使用還有距離。 （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。 由式1038可以看出： ①當(dāng)轉(zhuǎn)速n較低時，增大n對K有明顯作用； ②當(dāng)轉(zhuǎn)速n很高時，K值趨向于零，此時，增大n就起不到調(diào)節(jié)的作用。（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。②在空氣流速已經(jīng)十分大的情況下，在不改變攪拌轉(zhuǎn)速的情況下，由于攪拌功率的下降，反而會導(dǎo)致溶氧濃度的下降，同時會產(chǎn)生某些副作用。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(fēng)量)改變通氣速率主要是通過變化KLa來改變供氧能力。供氧： （1036）需氧：r= Qo2X （1037）根據(jù)式（1036），在供氧方面，主要是設(shè)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(fēng)量)；②攪拌轉(zhuǎn)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(zhì)等。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(jié)果。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(jìn)行氣體的吸收，直到氣液平衡，這時壓強(qiáng)降為p2。（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。當(dāng)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(yīng)為測定值與殘余電流之差。（2）電極法電極法測定溶氧的原理：對浸在液體中的貴金屬陰極和參考電極(陽極)加上電壓，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(yīng)：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(yīng)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(kuò)散到陰極表面參加電極反應(yīng)，使電路中維持一定的電流?；瘜W(xué)法測定溶解氧比較準(zhǔn)確，而且能得到氧的濃度值，所以往往是其他測定方法的基礎(chǔ)。再在反應(yīng)液中加入硫酸，使已化合的溶解氧與碘化鉀反應(yīng)，釋放出碘，可用標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉溶液滴定。在發(fā)酵過程中連續(xù)測定發(fā)酵液中溶解氧的濃度的變化，可隨時掌握發(fā)酵過程的供氧、需氧情況，為準(zhǔn)確判斷設(shè)備的通氣效果提供可靠數(shù)據(jù)，以便有效控制發(fā)酵過程，為實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的自動化控制創(chuàng)造條件。五、發(fā)酵液中溶解氧的測定和控制1，溶解氧連續(xù)檢測的意義在通風(fēng)發(fā)酵中，必須連續(xù)地通入無菌空氣，氧由氣相溶解到液相，然后經(jīng)過液流傳給細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)，以維持菌體的生長代謝和產(chǎn)物合成。p*是發(fā)酵液中與溶氧平衡的氧分壓。利用復(fù)膜電極可在培養(yǎng)過程中測定培養(yǎng)液的溶解氧濃度、微生物菌體的耗氧率及氧傳遞系數(shù)，這樣測出的溶解氧濃度、微生物菌體的耗氧率及氧傳遞系數(shù)可代表培養(yǎng)過程中的實(shí)際情況，是比較理想的測定方法。可見取樣法和排氣法測定溶氧系數(shù)都不能反映發(fā)酵過程中的實(shí)際情況，因此最好能應(yīng)用復(fù)膜電極的溶氧測定儀直接測定發(fā)酵過程的溶氧系數(shù)。在不穩(wěn)定情況下，發(fā)酵液中沒有微生物細(xì)胞時，氧分子從氣體主流擴(kuò)散至液體主流的傳遞速率可由下式表示： （1024）當(dāng)t=0時，CL=0，對上式積分后可得 （1025）以ln（C*CL）對時間t標(biāo)繪時即可得直線（圖1035b），根據(jù)該直線斜率就便可計算出KLa，即KLa=斜率。5，排氣法排氣法是一種在非發(fā)酵狀態(tài)下進(jìn)行的測定氧傳遞系數(shù)方法。溶氧電極的響應(yīng)時間應(yīng)盡可能短。如圖1034所示?；謴?fù)通氣后，CL逐漸回升，直至建立供需平衡。把關(guān)氣到恢復(fù)通氣時的CL對時間t作圖，可得圖1033。先提高發(fā)酵液中的溶氧濃度，使之在遠(yuǎn)高于臨界溶氧濃度Cc的C0處達(dá)到平衡，然后停止通氣而繼續(xù)攪拌，此時溶氧濃度開始直線下降；待溶氧濃度尚未降低到Cc之前，恢復(fù)供氣，液中溶氧濃度隨即上升。4，動態(tài)法將式（58）重新排列，可得 （1023）由式（511）可見，將非穩(wěn)態(tài)時溶氧濃度CL對作圖可得一直線，此直線的斜率即為。如果已知發(fā)酵液中氧的溶解特性，測定了排氣氧分壓和液相氧濃度，即可求出KLa。圖1032 極譜法工作曲線3，物料衡算法對培養(yǎng)液中的氧進(jìn)行物料衡算，當(dāng)培養(yǎng)液中的溶氧供需不平衡時，溶氧濃度的變化速率為： （1020）處于穩(wěn)態(tài)時，于是 （1021）攝氧率r可由進(jìn)氣和排氣氧分壓變化求出。將從發(fā)酵設(shè)備中取出的發(fā)酵液放入極譜儀中的電解池中，記下隨時間而下降的發(fā)酵液中氧的濃度CL的數(shù)值，以時間為橫座標(biāo)，溶解氧濃度為縱座標(biāo)進(jìn)行作圖，如圖1032。2，取樣極譜法~，擴(kuò)散電流的大小與發(fā)酵液中溶解氧的濃度成正比，通過測定擴(kuò)散電流的大小就可測定氧的傳遞系數(shù)。此外，亞硫酸鈉溶液的流變學(xué)特性與實(shí)際發(fā)酵液有較大差別，對實(shí)際的發(fā)酵過程，用此測定方法測得的KLa與實(shí)際值有較大差異，而使工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用受到限制。亞硫酸鹽氧化法具有操作簡便之優(yōu)點(diǎn)，且在相當(dāng)清潔的條件下能得到非常精確的結(jié)果；另外，由于取樣時包括了整個發(fā)酵罐內(nèi)的液體而避免了取樣不勻的問題。從中推算出未被空氣氧化的亞硫酸鈉。實(shí)際上，在任何時候的溶氧濃度均為零，因此，KLa可由下式計算獲得：OTR＝KLaC* （1018）式中：OTR為氧傳遞速率；C*為溶液中氧的飽和濃度。實(shí)際上是氧分子一旦溶入液相，立即就被還原掉。本節(jié)將論述有關(guān)KLa測定方法以及各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。圖1030 溶液中電解質(zhì)濃度對KLa的影響 圖1031 菌體濃度對KLa的影響四、溶氧傳遞系數(shù)的測定方法測定發(fā)酵設(shè)備的溶氧傳遞系數(shù)KLa值對于確定其通氣效率和確定操作變數(shù)對溶氧的影響是十分必要的。圖1031描繪了Deindoerfer和Gaden研究的產(chǎn)黃青霉菌對KLa的影響。圖1030表示電解質(zhì)溶液的濃度對KLa的影響。在鹽溶液中，氣泡細(xì)小且難以聚合成大氣泡。KLa隨著離子強(qiáng)度的增大而增大。（5）表面活性劑培養(yǎng)液中消泡用的油脂等具有親水端和疏水端的表面活性物質(zhì)分布在氣液界面，增大了傳遞的阻力，使氧傳遞系數(shù)KLa等發(fā)生變化，圖1029為表面活性劑月桂基磺酸鈉濃度對氧傳遞系數(shù)KLa、KL和dB的影響。當(dāng)發(fā)酵液濃度增大時，粘度也增大，氧傳遞系數(shù)KLa就降低。（4）發(fā)酵液性質(zhì)在發(fā)酵過程中，由于微生物的生命活動，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)，大量繁殖菌體，積累代謝產(chǎn)物等都引起培養(yǎng)液的性質(zhì)的改變，特別是粘度、表面張力、離子濃度、密度、擴(kuò)散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而對氧傳遞系數(shù)K出帶來很大的影響。當(dāng)通風(fēng)量較小時，噴口的直徑越小，氣泡的直徑也就越小，相應(yīng)地溶氧系數(shù)也就越大。lgVs圖1028 表觀空氣速度與氧傳遞系數(shù)KLa的關(guān)系（3）空氣分布管在通風(fēng)發(fā)酵中，除了用攪拌將空氣分散成小氣泡外，還可用空氣分布管來分散空氣。空氣線速度增大到一定程度，如不改變攪拌速度，則會降低攪拌功率，甚至發(fā)生“過載”現(xiàn)象，會使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低，使KLa降低。但這種關(guān)系取決于發(fā)酵罐的大小，Pg/V的指數(shù)隨發(fā)酵設(shè)備大小而變化(如下表)。④攪拌使發(fā)酵液產(chǎn)生湍流而降低氣/液接觸界面的液膜厚度，減小氧傳遞過程的阻力，因而增大了KLa值。但通氣量增