通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備概述

第十章通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備四十年月中期,青霉素的工業(yè)化生產(chǎn),或深層通風(fēng)培育技術(shù)的消滅,標(biāo)志近代通風(fēng)發(fā)酵工業(yè)的開頭。在深層通風(fēng)培育技術(shù)中,發(fā)酵罐是關(guān)鍵設(shè)備。在發(fā)酵罐中,微生物在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中進(jìn)行生長、新陳代謝和形成發(fā)酵產(chǎn)物。第一節(jié)通風(fēng)發(fā)酵罐及結(jié)構(gòu)通風(fēng)發(fā)酵罐又稱好氣性發(fā)酵罐,如谷氨酸、檸檬酸、酶制劑、抗生素、酵母等發(fā)酵用的發(fā)酵罐。好氣性發(fā)酵需要將空氣不斷通入發(fā)酵液中,以供微生物所消耗的氧。常用通風(fēng)發(fā)酵罐有以下幾種類型:（1)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐（2)氣升式發(fā)酵罐（3）自吸式發(fā)酵罐（4）伍式發(fā)酵罐(5)文氏管發(fā)酵罐一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠最常用類型。它是利用機(jī)械攪拌器的作用,使空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解,以保證供應(yīng)微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。1，機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的基本要求一共性能優(yōu)良的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐必需滿足以下基本要求：（1)發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比;發(fā)酵罐的高度與直徑之比一般為1.７~４倍左右,罐身越長，氧的利用率較高（２）發(fā)酵罐能承受肯定壓力;(３）發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必需的溶解氧；(4)發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積;（5)發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量削減死角，避開藏垢積污,滅菌能徹底，避開染菌；(6）攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密,盡量削減泄漏。2，機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是一種密封式受壓設(shè)備，其主要部件包括:罐身、軸封、消泡器、攪拌器、聯(lián)軸器、中間軸承、擋板、空氣分布管、換熱裝置和人孔以及管路等(1)罐體發(fā)酵罐的罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成,小型發(fā)酵罐罐頂和罐身接受法蘭連接,材料一般為不銹鋼。為了便于清洗,小型發(fā)酵罐頂設(shè)有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝沒有快開入孔及清洗用的快開手孔。罐頂還裝有視鏡及燈鏡。在發(fā)酵罐的罐頂上的接管有：進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管和壓力表接管。在罐身上的接管有冷卻水進(jìn)出管、進(jìn)空氣管、取樣管、溫度計(jì)管和測(cè)控儀表接口。圖１０－1攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖(2)罐體的尺寸比例罐體各部分的尺寸有肯定的比例,罐的高度與直徑之比一般為1.７~4左右。發(fā)酵罐通常裝有兩組攪拌器，兩組攪拌器的間距S約為攪拌器直徑的三倍。對(duì)于大型發(fā)酵罐以及液體深度ＨＬ較高的，可安裝三組或三組以上的攪拌器。最下面一組攪拌器通常與風(fēng)管出口較接近為好,與罐底的距離Ｃ一般等于攪拌器直徑Dｉ,但也不宜小于0．8Ｄi,否則會(huì)影響液體的循環(huán)。最常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖１0－2。圖1０-2常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸（3)攪拌器攪拌器的作用是打碎氣泡,使空氣與溶液均勻接觸,使氧溶解于發(fā)酵液中。攪拌器有軸向式(槳葉式、螺旋槳式)和徑向式(渦輪式)兩種。軸向式攪拌器:槳葉式、螺旋槳式徑向式（渦輪式)攪拌器(Ｄisctuｒbinｅ)：平直葉、彎葉、箭葉圖10-3徑向式(渦輪式）攪拌器的結(jié)構(gòu)示意圖(4)擋板擋板的作用是轉(zhuǎn)變液流的方向，由徑向流改為軸向流,促使液體猛烈翻動(dòng)，增加溶解氧。通常,擋板寬度?。?．1~0.２)D,裝設(shè)６~4塊即可滿足全擋板條件。全擋板條件：是指在肯定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達(dá)到全擋板條件必需滿足下式要求:(5)消泡器消泡器的作用是將泡沫打破。消泡器常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式。孔板式的孔徑約10～20毫米。消泡器的長度約為罐徑的０.6５倍。（6）聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段,用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成堅(jiān)固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可接受法蘭將攪拌軸連接,軸的連接應(yīng)垂直,中心線對(duì)正。（７)軸承為了削減震驚，中型發(fā)酵罐—般在罐內(nèi)裝有底軸承,而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承,底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)整。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應(yīng)接受液體潤滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯等),軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.４～０.7%。為了防止軸頸磨損,可以在與軸承接觸處的軸上增加一個(gè)軸套。(８）變速裝置試驗(yàn)罐接受無級(jí)變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動(dòng)，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置,其中以三角皮帶變速傳動(dòng)較為簡便。（9）軸封軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封,防止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。①填料函式軸封是由填料箱體,填料底襯套,填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成,使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。填料函式軸封的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡潔。主要缺點(diǎn)是:死角多，很難徹底滅菌，簡潔滲漏及染菌;軸的磨損狀況較嚴(yán)峻;填料壓緊后摩擦功率消耗大;壽命短，經(jīng)常修理，耗工時(shí)多。圖1０-４填料函式軸封的結(jié)構(gòu)示意圖②端面式軸封又稱機(jī)械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等)的壓力使垂直于軸線的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合,并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。圖1０－5端面式軸封的結(jié)構(gòu)示意圖端面式軸封的優(yōu)點(diǎn):清潔；密封牢靠;無死角,可以防止雜菌污染；使用壽命長;摩擦功率耗損小;軸或軸套不受磨損；它對(duì)軸的精度和光滑度沒有填料密封要求那么嚴(yán)格,對(duì)軸的震驚敏感性小。端面式軸封的缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)比填料密封簡單，裝拆不便;對(duì)動(dòng)環(huán)及靜環(huán)的表面光滑度及平直度要求高。(9）發(fā)酵罐的換熱裝置①夾套式換熱裝置這種裝置多應(yīng)用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐；夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進(jìn)行冷卻面積的設(shè)計(jì)。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡潔；加工簡潔,罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，簡潔進(jìn)行清潔滅菌工作,有利于發(fā)酵。其缺點(diǎn)是:傳熱壁較厚,冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差,②豎式蛇管換熱裝置這種裝置是豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八組不等,依據(jù)管的直徑大小而定,容積５米3以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是:冷卻水在管內(nèi)的流速大;傳熱系數(shù)高。這種冷卻裝置適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū),水的用量較少。但是氣溫高的地區(qū),冷卻用水溫度較高,則發(fā)酵時(shí)降溫困難,發(fā)酵溫度經(jīng)常超過４0￠aC，影響發(fā)酵產(chǎn)率,因此應(yīng)接受冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設(shè)備投資及生產(chǎn)成本。此外,彎曲位置比較簡潔蝕穿。③豎式列管(排管)換熱裝置這種裝置是以列管形式分組對(duì)稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是：加工便利,適用于氣溫較高,水源充分的地區(qū)。這種裝置的缺點(diǎn)是:傳熱系數(shù)較蛇管低,用水量較大。二、氣升式發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐其通風(fēng)原理是罐內(nèi)通風(fēng),靠機(jī)械攪拌作用使氣泡分割細(xì)碎,與培育基充分混合，親密接觸,以提高氧的吸取系數(shù)；設(shè)備構(gòu)造比較簡單,動(dòng)能消耗較太。接受氣升式發(fā)酵罐可以克服上述的缺點(diǎn)。1,氣升式發(fā)酵罐的特點(diǎn)(1）結(jié)構(gòu)簡潔，冷卻面積小；（2)無攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)省動(dòng)力約5０%，節(jié)省鋼材;(3）操作時(shí)無噪音;(4)料液裝料系數(shù)達(dá)8０~90%,而不須加消泡劑;（5）修理、操作及清洗簡便,削減雜菌感染。但氣升式發(fā)酵罐還不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對(duì)于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。2,氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及原理分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。其主要結(jié)構(gòu)包括：罐體、上升管、空氣噴嘴。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖1０－6氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖3,氣升式發(fā)酵罐的性能指標(biāo)氣升式發(fā)酵罐是否符合工藝要求及經(jīng)濟(jì)指標(biāo),應(yīng)從下面幾方面進(jìn)行考慮。(1）循環(huán)周期時(shí)間必需符合菌種發(fā)酵的需要。（２)選用適當(dāng)直徑的噴嘴。具有適當(dāng)直徑的噴嘴才能保證氣泡分割細(xì)碎，與發(fā)酵液均勻接觸，增加溶氧系數(shù)。三、自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過程中自動(dòng)吸入空氣的發(fā)酵罐。這種設(shè)備的耗電量小,能保證發(fā)酵所需的空氣,并能使氣液分別細(xì)小，均勻地接觸，吸入空氣中70~80%的氧被利用。接受了不同型式、容積的自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復(fù)雷素、維生素Ｃ、酵母、蛋白酶等,都取得了良好的成果。1，自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)自吸式發(fā)酵罐的主體結(jié)構(gòu)包括：(1)罐體；(2)自吸攪拌器及導(dǎo)輪;(3）軸封;(4)換熱裝置；（５)消泡器。圖10-７自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖2,自吸式發(fā)酵罐的充氣原理自吸式發(fā)酵罐的主要的構(gòu)件是自吸攪拌器及導(dǎo)輪,簡稱為轉(zhuǎn)子及定子。轉(zhuǎn)子由箱底向上升入的主軸帶動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)空氣則由導(dǎo)氣管吸入。轉(zhuǎn)子的形式有九葉輪、六葉輪、三葉輪、十字形葉輪等，葉輪均為空心形。圖１０-8自吸式發(fā)酵罐的導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)示意圖及充氣原理３，自吸式發(fā)酵罐的類型依據(jù)通氣的型式不同,自吸式發(fā)酵罐可分為三個(gè)類型:(1)回轉(zhuǎn)翼片式自吸式發(fā)酵罐；(2）具有轉(zhuǎn)子及定子的自吸式發(fā)酵罐;（3)噴射式自吸式發(fā)酵罐。前兩者自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡潔,制作簡潔,比較廣泛接受。其傳動(dòng)裝置有裝在罐底及罐頂兩種，如裝在罐底,則端面密封裝置的加工和安裝要求特殊精密,否則簡潔漏液染菌。第三種噴射式自吸式發(fā)酵罐,電耗少,但是泵的構(gòu)造簡單。4，自吸式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn):（1)節(jié)省空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、冷卻器、油水分別器、空氣貯聰、總過濾器等設(shè)備,削減廠房占地面積。(2）削減工廠發(fā)酵設(shè)備投資約30%左右,例如應(yīng)用自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)酵母,容積酵母的產(chǎn)量可高達(dá)30~50克。(3)設(shè)備便于自動(dòng)化、連續(xù)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度,削減勞動(dòng)力。(4）酵母發(fā)酵周期短,發(fā)酵液中酵母濃度高，分別酵母后的廢液量少。（５)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡潔,溶氧效果高，操作便利。四、伍式發(fā)酵罐1,結(jié)構(gòu)伍式發(fā)酵罐的主要部件是套筒、攪拌器。圖10-９伍式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖2，通氣原理攪拌時(shí)液體沿著套筒外向上升至液面,然后由套筒內(nèi)返回罐底,攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上,兼作空氣安排器?？諝庥煽招妮S導(dǎo)入經(jīng)過攪拌器的空心管吹出,與被攪拌器甩出的液體相混合，發(fā)酵液在套筒外側(cè)上升,由套筒內(nèi)部下降，形成循環(huán)。設(shè)備的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,清洗套筒較困難，消耗功率較高。五、文氏管發(fā)酵罐其原理是用泵將發(fā)酵液壓入文氏管中,由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入,并使氣泡分散與液體混合，增加發(fā)酵液中的溶解氧。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：吸氧的效率高,氣、液、固三相均勻混合,設(shè)備簡潔,無須空氣壓縮機(jī)及攪拌器,動(dòng)力消耗省。這種設(shè)備的缺點(diǎn)是氣體吸入量與液體循環(huán)量之比較低，對(duì)于好氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜。圖１0－１0文氏管發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖其次節(jié)通氣與攪拌一、攪拌器的型式及流型1，型式發(fā)酵罐中的機(jī)械攪拌器大致可分為軸向和徑向推動(dòng)兩種型式。前者如螺旋槳式,后者如渦輪式。(１）螺旋槳式攪拌器螺旋槳式攪拌器在罐內(nèi)將液體向下或向上推動(dòng)（相應(yīng)于圖中的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向)。形成軸向的螺旋流淌,混合效果較好，但造成的剪率較低,對(duì)氣泡的分散效果不好。一般用在藉壓差循環(huán)的發(fā)酵罐中，以提高其循環(huán)速度。常用的螺旋槳葉數(shù)Ｚ=3,螺距等于攪拌器直徑,最大葉端線速度不超過2５米/秒。圖１０-１１螺旋槳式攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖(2）圓盤平直葉渦輪攪拌器圓盤平直葉渦輪與沒有圓盤的平直葉渦輪,其攪拌特性差別甚微。但在發(fā)酵罐中無菌空氣由單開口管通至攪拌器下方，大的氣泡受到圓盤的阻擋,避開從軸部的葉片空隙上升，保證了氣泡的更好的分散。圓盤平直葉渦輪攪拌器具有很大的循環(huán)輸送量和功率輸出,適用于各種流體,包括粘性流體、非牛頓流體的攪拌混合。圖１0-1２圓盤平直葉渦輪攪拌器結(jié)構(gòu)圖(3)圓盤彎葉渦輪攪拌器圓盤彎葉渦輪攪拌器的攪拌流型與平直葉渦輪的相像,但前者造成的液體徑向流淌較為猛烈，因此在相同的攪拌轉(zhuǎn)速時(shí),前者的混合效果較好。但由于前者的流線葉型,在相同的攪拌轉(zhuǎn)速時(shí),輸出的功率較后者的為小。因此,在混合要求特殊高,而溶氧速率相對(duì)要求略低時(shí),可選用圓盤彎葉渦輪。圖１０－13圓盤彎葉渦輪攪拌器的結(jié)構(gòu)圖(４)圓盤箭葉渦輪攪拌器圖１0-1４圓盤箭葉渦輪攪拌器結(jié)構(gòu)圖其攪拌流型與上述兩種渦輪相近,但它的軸向流淌較猛烈，但在同樣轉(zhuǎn)速下,它造成的剪率低，輸出功率也較低。2,流型攪拌器在發(fā)酵罐中造成的流型,對(duì)氣固液相的混合效果及氧氣的溶解、熱量的傳遞具有親密關(guān)系。攪拌器造成的流體流淌型式不僅打算于攪拌器本身,還受罐內(nèi)的附件及其安裝位置的影響。(1）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪拌流型罐中心垂直安裝的螺旋槳,在無擋板的狀況下,在軸中心形成凹陷的旋渦。如在同一罐內(nèi)安裝４～6塊擋板，液體的螺旋狀流受擋板折流,被迫向軸心方向流淌,使旋渦消逝，圖10-15罐中心裝垂直螺旋攪拌器的攪拌流型（2）渦輪式攪拌器的流型上述三種渦輪攪拌器的攪拌流型基本上相同,各在渦輪平面的上下兩側(cè)形成向上和向下的兩個(gè)翻騰。如不滿足全擋板條件,軸中心位置也有凹陷的旋渦。適當(dāng)?shù)闹淅鋮s排管，也可基本消退軸中心凹陷的旋渦。圖1０－16擋板渦輪攪拌槳的流型(３)裝有套筒時(shí)的攪拌器攪拌流型在罐內(nèi)與垂直的攪拌器同中心安裝套簡，一可以大大加強(qiáng)循環(huán)輸送效果,并能將液面的泡沫從套簡的上部入口，抽吸到液體之中,具有自消泡力量。伍氏發(fā)酵罐就是具有這種中心套筒的機(jī)械攪拌罐。圖１0-１7裝有中心套筒的攪拌器流型二、攪拌器軸功率的計(jì)算攪拌器輸入攪拌液體的功率：是指攪拌器以既定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí),用以克服介質(zhì)的阻力所需的功率,簡稱軸功率。它不包括機(jī)械傳動(dòng)的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動(dòng)機(jī)的軸功率或耗用功率。發(fā)酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強(qiáng)度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關(guān)系。1,單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計(jì)算(1)功率準(zhǔn)數(shù)一個(gè)具體的攪拌器所輸入攪拌液體的功率取決于下列因素:①葉輪和罐的相對(duì)尺寸;②攪拌器的轉(zhuǎn)速；③流體的性質(zhì);④擋板的尺寸和數(shù)目。通過因次分析,得:式中Ｐ0：不通氣時(shí)攪拌器輸入液體的功率(瓦）ρ:液體的密度(公斤/米3)μ：液體的粘度(牛.秒/米2)D：渦輪直徑(米）N:渦輪轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)／秒)Ｋ,m：打算于攪拌器的型式,擋板的尺寸及流體的流態(tài)是一個(gè)無因次數(shù),可定義為功率準(zhǔn)數(shù)NP。該準(zhǔn)數(shù)表征著機(jī)械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。式中ω:渦輪線速度a:加速度V:液體體積m:液體質(zhì)量(2)攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP的求解攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP是攪拌雷諾數(shù)RｅＭ的函數(shù)。在一系列幾何相像的試驗(yàn)設(shè)備里,用不同型式的攪拌器，漸漸變化ＲeＭ,算出相應(yīng)的ＮP,在雙對(duì)數(shù)座標(biāo)紙上標(biāo)繪，得到NP~ReM曲線簇，如圖所示。圖10－18NＰ~ReＭ曲線試驗(yàn)攪拌器的型式及罐體比例尺寸,如ＲｅM>１０4,達(dá)到充分湍流之后,ReM增加，攪拌功率P０雖然將隨之增大，但NＰ保持不變,即施加于單位體積液體的外力與其慣性力之比為常數(shù),此時(shí)對(duì)圓盤六平直葉渦輪ＮＰ≈６對(duì)圓盤六彎葉渦輪ＮP≈4.7對(duì)圓盤六箭葉渦輪NP≈３．7(3)單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率P0=NPD5N3ρ(１0-4)２,多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計(jì)算使用多個(gè)渦輪時(shí),兩者間的距離S,對(duì)非牛頓型流體可取為２D,對(duì)牛頓型流體可取2．５~３．０Ｄ;靜液面至上渦輪的距離可?。?５~2D,下渦輪至罐底的距離C可?。埃?～１.0Ｄ。S過小，不能輸出最大的功率;S過大,則中間區(qū)域攪拌效果不好。符合上述條件的發(fā)酵罐,用閱歷公式計(jì)算或?qū)崪y(cè)結(jié)果都表明,多個(gè)渦輪輸出的功率近似等于單個(gè)渦輪的功率乘以渦輪的個(gè)數(shù)。3,通氣液體機(jī)械攪拌功率的計(jì)算同一攪拌器在相等的轉(zhuǎn)速下輸入于通氣液體的攪拌功率比不通氣液體的低。這可以解釋為：通氣使液體的重度降低。功率的降低,不僅與液體平均重度的降低有關(guān),而且主要取決于渦輪四周氣液接觸的狀況。邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測(cè)量其輸出功率,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上將Pg標(biāo)繪成渦輪直徑Ｄ,轉(zhuǎn)速,空氣流量Ｑ和Ｐ０的函數(shù)，得出以下關(guān)系式：福田秀雄在10０升至42０00升的系列設(shè)備里，對(duì)邁凱爾關(guān)系式進(jìn)行了校正,得將多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別標(biāo)出，與實(shí)測(cè)的對(duì)應(yīng)的Ｐg(shù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪。圖10-19圖中的直線斜率為０.39，截距為２.４×１0-3由此得出邁凱爾的修正關(guān)系式４，計(jì)算舉例某細(xì)菌醪發(fā)酵罐罐直徑T＝1.8（米)圓盤六彎葉渦輪直徑D=0．６０米,一只渦輪罐內(nèi)裝四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌器轉(zhuǎn)速N＝168轉(zhuǎn)／分通氣量Q=1.42米3/分(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量)罐壓P=１.5確定大氣壓醪液粘度ì=１.９６×１０-３牛·秒/米2醪液密度?＝1020公斤/米3要求計(jì)算Pｇ(1）計(jì)算ReＭＲeM＝5.２5×104(2)由ＮP~ReＭ查NP,NP=4．７(3)計(jì)算P0P0＝NPD5N3ρ＝８.0７(千瓦)（4)計(jì)算Ｐg(shù)3，非牛頓流體特性對(duì)攪拌功率計(jì)算的影響常見的某些發(fā)酵液具有明顯的非牛頓流體特性。這一特性對(duì)發(fā)酵過程的影響極大,對(duì)攪拌功率的計(jì)算也帶來麻煩。牛頓型流體:用水解糖液、糖蜜等原料做培育液的細(xì)菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度細(xì)菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體。非牛頓型流體：霉菌醪、放線菌醪。非牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算與牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算方法一樣，但這類液體的粘度是隨攪拌速度而變化的,因而必需先知道粘度與攪拌速度的關(guān)系，然后才能計(jì)算不同攪拌速度下的ReM,再后才能依據(jù)試驗(yàn)繪出其NP~ＲeM曲線。依據(jù)米茲納大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的證明，牛頓型流體與非牛頓型液體的NP~RｅＭ曲線的差別僅存在于ＲeＭ=10~３00區(qū)間之內(nèi)。假如為了近似的計(jì)算,不要求較高的精確度,那么的非牛頓型液體的ＮP～RｅＭ曲線也可以不要實(shí)際標(biāo)繪。可以用牛頓型流體的NＰ～ＲeM曲線代替非牛頓型液體的NP~ReＭ曲線。第三節(jié)氧的傳遞(OxｙｇeｎTｒansfeｒ)Iｎtｈｉssｅctionｗewilllｏoｋmｏｒｅdｅe(cuò)plyinｔofactorsthaｔaffectoxygentraｎsferaｎｄhｏwｆｅrmentatioｎsyｓtｅmｓcanbeｄesｉgnedtoｍａｘiｍｉzeｄｉｓsolｖeｄoxｙgｅnｃonｃｅntraｔioｎinｂｉorｅactorｓ.Thesuppｌｙｏfoxｙgｅnisofｔenｔｈerａｔeliｍiｔinｇｓtepinａnaeroｂicfeｒmentatｉonandsatｉｓfyinｇoｘygｅｎdemａndscａnofteｎcoｎstｉtuｔeａｌargeproｐortiｏnoｆthｅopeｒａｔingaｎｄcａpｉtalofaｉnduｓtｒialsｃalefｅrmｅｎtatｉonsystｅm．一、ＩntrodｕctionSｕppｌyｉngｏｘygentoaｅｒobicｃeｌlshａｓalwａyｓｒepresenｔedasignｉfiｃantchallenｇetｏferｍeｎtaｔiｏntｅｃhnologisｔs.Theprｏｂlemderｉvｅsfromthｅｆactthatoxygenisｐｏｏrlｙsｏｌublｅｉnwateｒ.ThｅsｏlｕbiｌiｔyofSucroｓeis６０0ｇ.l-1．oxygｅnａt(yī)4℃ｉnpｕreｗaterisoｎｌｙ8mｇ.l-1.Sａｔiｓfyinｇｏxygendemａnｄsｃanoftencｏnstituｔeaｌarｇeｐroｐorｔiｏnｏｆthｅｏpeｒaｔingandcａpｉtａlofaindｕstrｉalｓcalｅfeｒｍenｔａt(yī)ｉoｎｓystem．二、Tｈeoｘｙgentｒａnsｆerｐroｃeｓs1,TheoｘygentranｓferｐｒｏcessIfｏnlyｓｕspｅnｄeｄｃellｓarｅiｎvｏlvedandiftｈeleｖeｌofmｉxiｎｇinｔheｂｕｌkｌｉqｕidisｓuｆfiｃｉeｎtlｙhigｈ，ｔheｎtheｒatelimｉｔiｎgｓteｐintｈｅｏｘygｅntｒａnｓferｐｒocｅssistｈｅmoveｍentoftｈｅｏxygｅnmoｌｅcuｌeｓｔhroughtheｂubblebｏundarylａｙer.圖１0－2０氧的傳遞過程（1)Diffusiｏｎthｒoughｔhebubbletｏthegaｓ-ｌｉquｉｄｉntｅrfacｅ圖10-２1Ｄiｆfｕsｉoｎthroughthｅbｕｂbletoｔhｅgas－liquidｉｎterfaceTｈｉsinfacｔｉsnoｔａstepａt(yī)ａll.Gａｓmoleculesmovesoquiｃklytｈattheyaｒeevenlｙｄｉstributedtｈｒｏugｈouｔｔheｂｕbblｅ.（2)Ｄｉffｕsｉonacrosｓtｈegaｓ－liｑuidinｔeｒfａce圖10-22Diffｕsionaｃｒossthegas－ｌiqｕidｉntｅrｆaｃeThissｔｅpwｉｌｌalsoｂeｖerｙｒaｐidｉftheconcｅｎtrａt(yī)ionｏfoｘygｅninｔhｅbubbｌehiｇh.OnｔｈeoｔherhaｎｄｉｆthｅbuｂbleisricｈinCO2andthｅｃontａiｎsalｏwconcentraｔiｏnofｏｘｙｇｅn,ｔheｎtｈｅrａt(yī)eofoxyｇｅntｒanｓfｅｒoutｏfthebubblｅwiｌlｂesloｗorｅvenzeｒo.（3）DｉｆfｕｓｉonthrougｈthｅbubbleboｕｎdaｒｙlaｙerＴｈemｏvementofsoｌutesｔｈroughtheboｕｎｄarｙlａｙｅrｉssｌoｗbecaｕsｅsｏluteｓmuｓtmovｅｔhrｏｕghｔheliquiｄｂydifｆuｓiｏn．圖１0－２3ＤiffusioｎthroｕｇhthｅｂubbleboundaｒyｌayｅrManyfａctorｓwillafｆectｔheraｔeｏfｄiｆfuｓionofoxｙｇenｔhｒｏｕｇhｔhebｏunｄarylａyer,ｉnｃlｕdｉngtｈe:tempeｒatｕre，cｏnceｎtraｔiｏｎofoxｙgeｎintｈeｂｕlkｌｉｑｕid,satuｒaｔiｏncｏncentrａt(yī)ionｏfoｘｙgenintｈeliqｕid,cｏnｃentｒａt(yī)ionｏｆoｘygeniｎｔhebｕbble,sizｅｏｆthemoｌecｕle,viscｏsityoｆｔhｅmedium.(４)Ｍoveｍｅntthrｏuｇhtheｂulkｌiquidbyfoｒｃｅｄconｖecｔｉonaｎddiffusiｏｎ圖10-25MｏvementｔhrougｈtｈebulkｌiｑuidbyfoｒｃedconvectionaｎｄdiｆｆuｓioｎTherateoｆｍｏｖemｅｎtofanｏxｙgeｎｍｏlecｕlethrｏughtｈｅｂｕｌkliquiｄisｄepｅnｄentoｎ:ｔhｅｄｅgreeｏfmixｉng（rｅlａt(yī)ivetothｅvｏlumeoftｈereａｃｔor),viscｏsitｙoftheｍｅdium（5)Movｅmentthｒoｕghthｅｆｌoc圖１０－2６MovemｅntthrougｈtheｆlｏcＴｈeｆｏlｌowinｇsｔｅps，compｌeｔethｅｊｏｕrneyoftｈｅoｘygenｍoｌeculｅ:Ｓtep5-moｖｅmｅntthroughtｈｅbouｎdaｒylayeｒsurｒｏuｎdｉｎgtheｍiｃroｂｉａlslime.Step6－entｒyｉntoｔheslimeSｔeｐ７-moｖementtｈｒouｇhthesｌiｍeSｔｅｐ8-mｏｖementacｒｏssｔhecelｌｍｅmbranｅStep９－reａctionＳtｅpｓ5and７aresｌowpｒｏcesseｓ.2,ＴheoxyｇeｎｔｒansferｍｏｄｅlWｈenbｕlkmixｉnglｅｖｅｌsａrｅｈigｈａndsuspｅndedcellｃulｔuｒｅsarｅinｖolｖed，theratｅliｍitingstｅpinabovｅpｒocesｓwillｇeneraｌlyｂethｅdiｆｆusionoｆｏxｙgentｈｒouｇｈtｈeｂｕbbｌebｏunｄarylayｅｒ(Sｔep３）．Theｒeforｅ,itiｓｐｏssibｌetouｓｅthｅinterphasｅoｘｙｇｅnｔransfereqｕatｉｏntｏdesｃribetheoｘyｇenｔｒansferrａｔe(ＯTR)：3，Ｏxｙｇentransfｅrｃoeｆfｉciｅnt(kＬ)andiｎteｒfacialaｒｅa（ａ)Becauseitnoｔｐossiblｅtｏaccuratelｙmeasurｅthetｏtaliｎterfaciａlareaoftheｇａｓｂｕｂblｅs(a),ｋLandaarｅcoｍbｉｎediｎtoｓiｎgleteｒｍ,ｒeｆeｒｒeｄtｏKLａ．ThｅＫLarepｒesｅｎｔsthｅoxygentｒansferrateｐerunｉtvｏlｕme.4，TｈeｂalancｅｂｅｔｗeeｎＯXYGENDＥMAＮDanｄSUPPLYUptaｋｅrate：γ=Qo2Ｘ(1０-9）Supplyrate:WｈenOTＲ＝γ，ＫＬa=Ｑo2X／（C*-CL)WｈeｎＯTＲ>γ,ＣL↑WｈenOＴR<?,cL↓Ifγｉｓaｃonstaｎｔ,KLａ↑,CL↑三、影響氧傳遞速率的主要因素依據(jù)氧傳遞速率方程ＯTR=KLａ（Ｃ*-ＣL)(1０-１０)凡是影響氧傳遞推動(dòng)力（C*－CL）、氣液比表面積a和氧傳遞常數(shù)的因素都會(huì)影響氧傳遞速率。1,溶液的性質(zhì)對(duì)氧溶解度的影響氧是一種難溶氣體,在2５℃和1.01×lO5Ｐａ時(shí)，純水中氧的溶解度是1.26moｌ／m3,由于空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)是0.21,因此與空氣平衡的水相中氧濃度為0．26５mol/m３。氧在水中的溶解度隨溫度的上升而降低（表５-1)，在1.01×１０５Pa和溫度在４～33℃的范圍內(nèi),與空氣平衡的純水中，氧的濃度也可由以下閱歷式來計(jì)算：表１0-1純氧在不同溫度水中的溶解度(１.０1×lO5Pa)溫度（℃）溶解度(moｌ/m３)溫度(℃)溶解度（ｍｏｌ／m３）01015202.1８1.701.5４1.３825303５40１．261.１61.０91.0３（１0-１1)式中:與空氣平衡的水中氧濃度(moｌ/m3)t:溫度(℃)氧在酸溶液中的溶解度和酸的種類及濃度有關(guān),見表5-2所示。表１0－2２5℃和1.01×lO5Pａ下純氧在不同酸溶液中的溶解度溶液濃度（kmoｌ/ｍ３）溶解度（mｏl/ｍ３)鹽酸硫酸0.00.501.０1.51.2６１．２11.161．１21．2６１.211．121.０２在電解質(zhì)溶液中，由于發(fā)生鹽析作用,使氧的溶解度降低。氧在電解質(zhì)溶液中可由Sｅｃheｎov公式計(jì)算：（10-12）式中:氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度mol/m3；:電解質(zhì)溶液的濃度（kmｏl/m3);K：Sｅchenov常數(shù)。該常數(shù)隨氣體種類、電解質(zhì)種類和溫度的變化而變化。圖１0－27示出了氧在幾種鹽溶液中的溶解度與鹽濃度的關(guān)系。假如是幾種電解質(zhì)的混合溶液，此時(shí)氧的溶解度則可依據(jù)溶液的離子強(qiáng)度計(jì)算:(1０-13)式中ｈi：第Ｉ種離子的常數(shù)（m3/kｍｏｌ)Ｉi:第I種離子的離子強(qiáng)度(ｋmol/ｍ３)在非電解質(zhì)溶液中,氧的溶解度一般隨溶質(zhì)濃度的增加而下降,其規(guī)律和電解質(zhì)溶液相像：(10-１4）式中:：氧在在非電解質(zhì)溶液中的溶解度（mｏl／ｍ3）;:非電解質(zhì)或有機(jī)物濃度(kｇ/m３)。若培育基中同時(shí)含有電解質(zhì)和非電解質(zhì)，氧的溶解度則可用下式計(jì)算:(1０－１５）式中：氧在混合溶液中的溶解度(ｍｏl／m３）。圖１0-２７氧的溶解度與鹽濃度的關(guān)系要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多種,其中最簡潔的方法是增加罐壓。但是要留意的是增加罐壓雖然提高了氧的分壓,從而增加了氧的溶解度，但其他氣體成分(如CＯ２)的分壓也相應(yīng)增加,且由于CＯ２的溶解度比氧大得多,因此不利于液相中ＣO2的排出,而影響了細(xì)胞的生長和產(chǎn)物的代謝,所以增加罐壓是有肯定限度的。另一種方法是增加空氣中氧的含量,進(jìn)行富氧通氣操作。即通過深冷分別法、吸附分別法及膜分別法制得富氧空氣,然后通入發(fā)酵液。目前由于這三種分別方法的成本都較高，富氧通氣還處于爭辯階段。2,氣——液比表面積對(duì)氧溶解度的影響依據(jù)氧傳遞速率方程(式10－1０），氧的傳遞速率與氣液比表面積成正比。因此凡是能影響氣液比表面積的因素均能影響氧在溶液中的溶解度。氣液比表面面積的大小取決于截留在發(fā)酵液中的氣體體積及氣泡的大小。截留在發(fā)酵液中的氣體越多,氣泡的直徑越小,那么氣泡的比表面積就越大,即氣液比表面積與氣體的截留率成正比,而與氣泡平均直徑成反比。對(duì)于帶有機(jī)械攪拌的發(fā)酵罐,氣泡的平均直徑與單位體積液體消耗的通氣攪拌功率、流體的物理性質(zhì)有關(guān)。攪拌對(duì)比表面積的影響較大,由于攪拌方面可使氣泡在液體中產(chǎn)生簡單的運(yùn)動(dòng),延長停留時(shí)間,增大氣體的截留率;另一方面攪拌的剪切作用又使氣泡粉碎,削減氣泡的直徑。而表面張力的作用則阻擋氣泡的變化和粉碎，具有使表面積下降的作用。增大通氣量可增加空氣的截留率,使比表面積增大。但通氣量增大到肯定程度，如不轉(zhuǎn)變攪拌速度，則會(huì)降低攪拌功率,甚至發(fā)生空氣“過載”現(xiàn)象,導(dǎo)致氣泡的分散形成大氣泡。3,影響氧傳遞系數(shù)的因素(1）攪拌攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)KＬa值具有很大的影響,對(duì)于帶有機(jī)械攪拌的通風(fēng)發(fā)酵罐,攪拌是以下述方式促進(jìn)氧的傳遞:①攪拌能把大的空氣泡分散成細(xì)小的氣泡,防止小氣泡的分散，增加了氧與液體的接觸面積；②攪拌使發(fā)酵液作渦流運(yùn)動(dòng),延長了氣泡在發(fā)酵液中的停留時(shí)間；③攪拌使菌體分散，避開結(jié)團(tuán),有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動(dòng)力均一,同時(shí)也削減了菌體表面液膜的厚度,有利于氧的傳遞。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。帶有機(jī)械攪拌的通風(fēng)發(fā)酵罐其攪拌器與氧傳遞速率常數(shù)KLa的關(guān)系可用式5－1７來表示：（10-16)式中Pｇ：通氣時(shí)攪拌器的軸功率(W);V：發(fā)酵罐中發(fā)酵液的體積(m3)；Ｖs:空氣的線速度（ｍ／ｓ);ｋ:常數(shù)從式10-16可知,KＬa幾乎與單位體積中的攪拌軸功率成正比。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）。表10-３Ｐｇ/V指數(shù)發(fā)酵設(shè)備規(guī)模的關(guān)系規(guī)模Pg/V的指數(shù)試驗(yàn)室規(guī)模中試規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模0.950.670.50(2)空氣線速度空氣線速度較小時(shí),氧傳遞系數(shù)KLａ是隨通風(fēng)量的增加而增大的，當(dāng)增加通風(fēng)量時(shí),空氣的線速度也就相應(yīng)地增大,從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)KLａ相應(yīng)地也增大。空氣線速度增大到肯定程度，如不轉(zhuǎn)變攪拌速度,則會(huì)降低攪拌功率,甚至發(fā)生“過載”現(xiàn)象,會(huì)使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的四周逸出,使攪拌效率和溶氧速率都大大降低，使ＫＬａ降低。圖10-２8是表觀空氣速度與氧傳遞系數(shù)ＫLａ的關(guān)系。lgＶs圖10－28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?？諝夥植脊艿男褪?、噴口直徑及管口與罐底距離的相對(duì)位置對(duì)氧溶解速率有較大的影響。當(dāng)通風(fēng)量較小時(shí)，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。而當(dāng)通風(fēng)量超過肯定值后，氣泡的直徑與通風(fēng)量有關(guān),與噴口的直徑無關(guān)。（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(dòng)，分解并利用培育液中的基質(zhì),大量繁殖菌體，積累代謝產(chǎn)物等都引起培育液的性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,特殊是粘度、表面張力、離子濃度、密度、集中系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)氧傳遞系數(shù)K出帶來很大的影響。此外,發(fā)酵液粘度的轉(zhuǎn)變還會(huì)影響到液體的湍流性以及界面或液膜阻力,從而影響到氧傳遞系數(shù)KLａ。當(dāng)發(fā)酵液濃度增大時(shí),粘度也增大，氧傳遞系數(shù)KLa就降低。發(fā)酵液中泡沫的大量形成會(huì)使菌體與泡沫形成穩(wěn)定的乳濁液，影響到氧傳遞系數(shù)。(５）表面活性劑培育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10-2９為表面活性劑月桂基磺酸鈉濃度對(duì)氧傳遞系數(shù)KLａ、ＫL和dB的影響。圖10-29表面活性劑濃度對(duì)氧傳遞系數(shù)ＫLa、ＫL和ｄB的影響(6)離子強(qiáng)度發(fā)酵液中含有多種鹽類，離子強(qiáng)度約為0.2~0.５mｏl/L。ＫLａ隨著離子強(qiáng)度的增大而增大。攪拌和通氣消耗的功率越大，則KLa隨離子強(qiáng)度增大的幅度越大，有時(shí)ＫLａ可高達(dá)純水中的５~6倍。在鹽溶液中,氣泡細(xì)小且難以聚合成大氣泡。而且氣體滯留量有增大的趨勢(shì)。圖1０-3０表示電解質(zhì)溶液的濃度對(duì)ＫLa的影響。（7)菌體濃度很多爭辯表明，菌體的存在對(duì)氧傳遞是不利的。圖1０－3１描繪了Deｉnｄoerｆer和Gaｄen爭辯的產(chǎn)黃青霉菌對(duì)KLa的影響。發(fā)酵液中菌體濃度的增加,會(huì)使KLa變小。圖1０－3０溶液中電解質(zhì)濃度對(duì)KＬａ的影響圖10-3１菌體濃度對(duì)ＫLａ的影響四、溶氧傳遞系數(shù)的測(cè)定方法測(cè)定發(fā)酵設(shè)備的溶氧傳遞系數(shù)KLａ值對(duì)于確定其通氣效率和確定操作變數(shù)對(duì)溶氧的影響是格外必要的。測(cè)量ＫLa的方法有亞硫酸鹽氧化法、取樣極譜法、物料衡算法、動(dòng)態(tài)法、排氣法和電極法。本節(jié)將論述有關(guān)KLa測(cè)定方法以及各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。１，亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法不需測(cè)定溶氧濃度,而是測(cè)定在銅催化下亞硫酸鈉轉(zhuǎn)化為硫酸鈉的反應(yīng)速率：(10-1７)在該反應(yīng)中一旦氧進(jìn)入溶液,溶解在水中的氧能馬上氧化其中的亞硫酸根離子,使之成為硫酸根離子,其氧化反應(yīng)的速度在較大的范圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度無關(guān)。實(shí)際上是氧分子一旦溶入液相,馬上就被還原掉。因此,亞硫酸鹽的氧化反應(yīng)速率與氧傳速率年是等價(jià)的。實(shí)際上，在任何時(shí)候的溶氧濃度均為零，因此，KLａ可由下式計(jì)算獲得：ＯＴR＝KＬa×C*(１0-18)式中：OTR為氧傳遞速率；Ｃ＊為溶液中氧的飽和濃度。其測(cè)定過程為:在發(fā)酵罐中加入含0.5M的亞硫酸鈉，10-３Ｍ的CuSO４溶液，并以固定的速率進(jìn)行通氣和攪拌，然后在肯定的時(shí)間間隔內(nèi)取樣(間隔時(shí)間依據(jù)通氣和攪拌速率而打算)，在樣品中，加入過量的碘溶液與已被氧化的亞硫酸鈉反應(yīng),再用標(biāo)定的硫代硫酸鈉反滴定，以測(cè)定殘余的碘量。從中推算出未被空氣氧化的亞硫酸鈉。以滴定消耗的硫代硫酸鈉體積與取樣時(shí)間作圖,則其斜率即為氧傳遞速率。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格外精確的結(jié)果;另外,由于取樣時(shí)包括了整個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)的液體而避開了取樣不勻的問題。但是,這種方法格外耗時(shí)（一次測(cè)定就需２小時(shí)，這主要打算于通氣和攪拌速率)，且發(fā)酵罐內(nèi)只要有極少量的表面活性劑污染時(shí)，則其測(cè)定值就不精確。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(duì)實(shí)際的發(fā)酵過程,用此測(cè)定方法測(cè)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。而且大型發(fā)酵罐中使用此法,將消耗大量的亞硫酸鈉,廢水中高濃度的SO3２-將大量消耗受水體中的溶氧。２，取樣極譜法取樣極譜法測(cè)定氧傳遞系數(shù)的原理是當(dāng)在發(fā)酵液中加入電解電壓為0.6~1.0V時(shí)，集中電流的大小與發(fā)酵液中溶解氧的濃度成正比,通過測(cè)定集中電流的大小就可測(cè)定氧的傳遞系數(shù)。由于氧的分解電壓最低,發(fā)酵液中的其他物質(zhì)對(duì)測(cè)定的影響甚微,所以此法可直接用于發(fā)酵狀態(tài)的氧傳遞系數(shù)的測(cè)定。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,登記隨時(shí)間而下降的發(fā)酵液中氧的濃度CL的數(shù)值,以時(shí)間為橫座標(biāo),溶解氧濃度為縱座標(biāo)進(jìn)行作圖,如圖10-３２。圖中曲線的斜率的負(fù)數(shù)即為微生物的攝氧率r，同時(shí)用外推的方法求動(dòng)身酵液中氧的飽和濃度C＊,就可按下式計(jì)算氧傳遞系數(shù)KLa:(1０－19)極譜法可以通過測(cè)定真實(shí)培育狀態(tài)下培育液中的溶解氧濃度,進(jìn)而可計(jì)算出氧傳遞系數(shù),但是當(dāng)從培育設(shè)備中取出樣品后，樣品所受的壓力從罐壓降至大氣壓,此時(shí)測(cè)定得到的氧濃度已不精確,且在靜止條件下所測(cè)得的攝氧率與在培育設(shè)備中的實(shí)際狀況不完全全都,因而誤差較大。圖1０-32極譜法工作曲線３，物料衡算法對(duì)培育液中的氧進(jìn)行物料衡算,當(dāng)培育液中的溶氧供需不平衡時(shí),溶氧濃度的變化速率為：(１０-20)處于穩(wěn)態(tài)時(shí),,于是(1０－２1）攝氧率r可由進(jìn)氣和排氣氧分壓變化求出。對(duì)于抱負(fù)混和的反應(yīng)器,C＊為與排氣中氧分壓平衡的氧濃度。假如已知發(fā)酵液中氧的溶解特性,測(cè)定了排氣氧分壓和液相氧濃度,即可求出ＫＬa。在大型發(fā)酵罐中一般不能獲得抱負(fù)混和，這時(shí)可用平均推動(dòng)力(Ｃ*－CL）m代替C＊-CＬ:(10－22)其中和分別代表與進(jìn)氣及排氣氧分壓平衡的液相氧濃度。４，動(dòng)態(tài)法將式(5－8）重新排列，可得(１0－23)由式（5-１1)可見，將非穩(wěn)態(tài)時(shí)溶氧濃度CＬ對(duì)作圖可得始終線,此直線的斜率即為。在發(fā)酵過程中,此種非穩(wěn)態(tài)可以人為造成而又不影響正常的發(fā)酵。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,然后停止通氣而連續(xù)攪拌，此時(shí)溶氧濃度開頭直線下降；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。在這種條件下作業(yè)，微生物的比攝氧率不受影響為常量,由于時(shí)間較短，微生物的增量不計(jì)，所以攝氧率r為常量。把關(guān)氣到恢復(fù)通氣時(shí)的CL對(duì)時(shí)間t作圖，可得圖10-33。在停止供氣階段，ＣＬ的降低與ｔ成線性關(guān)系，直線的斜率為攝氧率r。恢復(fù)通氣后,CL漸漸回升,直至建立供需平衡。在恢復(fù)平衡之前的過渡階段內(nèi),按式(5-11),將ＣＬ對(duì)作圖,即求出KＬa。如圖１0-３4所示。關(guān)氣C*CＬ斜率＝-1／ＫLaＣＬO2rｄCL／dt開氣tr+dCＬ/dｔ圖10-3３溶解氧濃度與通氣變化的關(guān)系圖１0-34ＫＬa的求值本方法的主要優(yōu)點(diǎn)是只需要單一的溶氧電極,可以測(cè)得實(shí)際發(fā)酵系統(tǒng)中KLａ值。溶氧電極的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)盡可能短。對(duì)于高粘度發(fā)發(fā)酵液,停止供氣后,發(fā)酵液中氣泡的釋放速度緩慢,或由于高攪拌速度所產(chǎn)生的表面曝氣作用，會(huì)影響CL-t線的正確性。5,排氣法排氣法是一種在非發(fā)酵狀態(tài)下進(jìn)行的測(cè)定氧傳遞系數(shù)方法。對(duì)于非發(fā)酵系統(tǒng)，在被測(cè)定的發(fā)酵設(shè)備中先用氮?dú)廒s去液體中的溶解氧或裝入已除去溶解氧的0.１moｌ/L的ＫCl溶液,然后再通入空氣并進(jìn)行攪拌,定時(shí)取樣用極譜儀或其他溶氧測(cè)定儀測(cè)出溶解氧的濃度,同時(shí)通過將CＬ作縱座標(biāo),t座橫座標(biāo),標(biāo)繪所得的曲線可求出溶液中飽和的溶氧濃度Ｃ＊,即將此曲線的最高點(diǎn)用虛線隨橫座標(biāo)平行推移與總座標(biāo)的交點(diǎn)便是溶液中飽和溶液濃度C*,見圖１0－35a。在不穩(wěn)定狀況下,發(fā)酵液中沒有微生物細(xì)胞時(shí)，氧分子從氣體主流集中至液體主流的傳遞速率可由下式表示:(1０-24)當(dāng)t＝0時(shí),CL=０,對(duì)上式積分后可得（１０-２5)以lｎ(C＊-CＬ）對(duì)時(shí)間t標(biāo)繪時(shí)即可得直線(圖１0-３5b）,依據(jù)該直線斜率就便可計(jì)算出KLａ，即KLa＝－２.3０３×斜率。lg(C*-CLlg(C*-CL)C*CＬtt（a)（ｂ)圖10－３5排氣法測(cè)定氧傳遞系數(shù)的曲線排氣法的缺點(diǎn)不能代表發(fā)酵過程中的實(shí)際狀況,也不能反映當(dāng)時(shí)發(fā)酵液的特性，同時(shí)也沒有考慮到氧濃度差ΔC對(duì)ＫLa的影響?？梢娙臃ê团艢夥y(cè)定溶氧系數(shù)都不能反映發(fā)酵過程中的實(shí)際狀況，因此最好能應(yīng)用復(fù)膜電極的溶氧測(cè)定儀直接測(cè)定發(fā)酵過程的溶氧系數(shù)。６,復(fù)膜電極測(cè)定KＬa和氧分析儀測(cè)定KGａ將陰極、陽極和電解質(zhì)溶液裝入殼體,用能透過氧分子的高分子薄膜封閉起來,并使陰極緊貼薄膜，就成了極譜型復(fù)膜電極。利用復(fù)膜電極可在培育過程中測(cè)定培育液的溶解氧濃度、微生物菌體的耗氧率及氧傳遞系數(shù),這樣測(cè)出的溶解氧濃度、微生物菌體的耗氧率及氧傳遞系數(shù)可代表培育過程中的實(shí)際狀況，是比較抱負(fù)的測(cè)定方法。如以壓力作為氧的推動(dòng)力,則式（１0-２１)可轉(zhuǎn)化為(10-26）式中p:罐壓（Ｐa)p*:溶液中氧的分壓(Ｐa)攝氧率ｒ可由進(jìn)氣和排氣氧分壓變化求出,進(jìn)氣和排氣氧分壓可以用氧分析儀測(cè)定。p*是發(fā)酵液中與溶氧平衡的氧分壓。假如已知發(fā)酵液中氧的溶解特性，測(cè)定了進(jìn)氣、排氣氧分壓和液相氧濃度，即可求出KGa。五、發(fā)酵液中溶解氧的測(cè)定和把握１,溶解氧連續(xù)檢測(cè)的意義在通風(fēng)發(fā)酵中，必需連續(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。因此發(fā)酵液中溶解氧的大小對(duì)菌體的代謝特性有直接影響,是發(fā)酵過程把握的一個(gè)重要參數(shù)。在發(fā)酵過程中連續(xù)測(cè)定發(fā)酵液中溶解氧的濃度的變化，可隨時(shí)把握發(fā)酵過程的供氧、需氧狀況,為精確推斷設(shè)備的通氣效果供應(yīng)牢靠數(shù)據(jù),以便有效把握發(fā)酵過程,為實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的自動(dòng)化把握制造條件。2,發(fā)酵液中溶解氧的測(cè)定方法（1）化學(xué)法在樣品中加入硫酸錳和堿性碘化鉀溶濃,即有氫氧化錳生成，氫氧化錳與樣品中溶解氧反應(yīng)生成錳酸。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。其反應(yīng)式如下：MｎＳO４+2NａOＨMｎ(ＯH)2+Nａ2SO4(10-27）2Mｎ(OＨ)2+Ｏ２2ＭｎO(ＯＨ)2↓(1０－２8)MnO（OH)２＋Mn(ＯＨ)2ＭnＭｎＯ3+2H２O（1０－29）MnMnO３+３Ｈ２SO4+２KI2ＭｎＳO４＋I(xiàn)2+3Ｈ2Ｏ+H2SＯ4(10-3０)I２+NaS2O3２ＮａＩ+Na2S4Ｏ6（1０－3１)前四步反應(yīng)要與空氣隔絕,這些反應(yīng)需在具塞磨口瓶中進(jìn)行，并使反應(yīng)液布滿磨口瓶，不能混有氣泡?；瘜W(xué)法測(cè)定溶解氧比較精確,而且能得到氧的濃度值,所以往往是其他測(cè)定方法的基礎(chǔ)。但是，假如樣品中存在氧化還原性物質(zhì),測(cè)定結(jié)果會(huì)有偏差，當(dāng)樣品帶有顏色時(shí)，也會(huì)影響測(cè)定終點(diǎn)的推斷，因此化學(xué)法不適于測(cè)定發(fā)酵液的溶解氧濃度。(2）電極法電極法測(cè)定溶氧的原理：對(duì)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,得到的電流-電壓曲線在０．6－0.８V間消滅平坦部分，這時(shí)發(fā)生溶解氧被還原成H２O2的反應(yīng)：酸性時(shí)：O２+２Ｈ+＋２eH2O２(1０-32）中性或堿性時(shí):O2+２Ｈ2Ｏ+２ｅＨ2O2＋２ＯＨ-(1０-３3)若將電解電壓固定于０.8v左右,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集中到陰極表面參與電極反應(yīng)，使電路中維持肯定的電流。當(dāng)氧的集中過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),集中電流為:（10－34）其中i:集中電流(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(yīng)很快，Cc實(shí)際上可視為零,因此i=KＤLCL(10－３5)也就是集中電流和溶解氧濃度成正比。當(dāng)溶解氧濃度為零時(shí),電路中仍會(huì)有肯定電流通過（殘余電流),所以式(10-3４)和式(10-35)中的電流i應(yīng)為測(cè)定值與殘余電流之差。通過測(cè)定集中電流的大小就可測(cè)定發(fā)酵液中的溶氧濃度。（３)壓力法圖1０－3６壓力法測(cè)定氣體溶解度裝置測(cè)定裝置為一恒溫的密閉容器，見圖1０-36。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(bǔ)充經(jīng)脫氣的溶劑使液體體積恢復(fù)到VＬ。從貯氣袋向容器通入氧氣，系統(tǒng)的氧壓為ｐ1,開動(dòng)攪拌,使液體不斷從玻璃板上翻動(dòng),進(jìn)行氣體的吸取,直到氣液平衡，這時(shí)壓強(qiáng)降為ｐ2。假如容器中氣相體積為ＶG，可以求出氧在樣品中的溶解度。３,把握發(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。調(diào)整發(fā)酵液中溶解氧含量不外從供、需兩個(gè)方面去考慮。供氧:(1０－3６）需氧:r=Qo２Ｘ(10-３7)依據(jù)式(１0-36),在供氧方面，主要是設(shè)法提高氧的傳遞推動(dòng)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培育基的物理性質(zhì)等。而從式1０－3７可知,影響需氧的則是菌體的生理特性、培育基的豐富程度、溫度等。因此把握發(fā)酵液中溶解氧的工藝手段有以下幾種：（1)轉(zhuǎn)變通氣速率(增大通風(fēng)量）轉(zhuǎn)變通氣速率主要是通過變化KＬa來轉(zhuǎn)變供氧力量。有兩種狀況：①在低通氣量的狀況下，增大通氣量對(duì)提高溶氧濃度有格外顯著的效果。②在空氣流速已經(jīng)格外大的狀況下，在不轉(zhuǎn)變攪拌轉(zhuǎn)速的狀況下,由于攪拌功率的下降,反而會(huì)導(dǎo)致溶氧濃度的下降,同時(shí)會(huì)產(chǎn)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)轉(zhuǎn)變攪拌速度一般說來，轉(zhuǎn)變攪拌速度的效果要比轉(zhuǎn)變通氣速率大,這是由于:(1）通氣泡沫被充分裂開，增加有效氣液接觸面積；(2)液流滯流增加,氣泡四周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(shí)間,因而就較明顯地增加ＫLａ,提高了供氧力量?？捎孟率絹肀硎居脭嚢璺绞桨盐杖苎跸到y(tǒng)的特性:（１０-３8）式中0ＵR：攝氧率,為菌體的耗氧力量和菌體濃度的綜合結(jié)果;K:調(diào)整對(duì)象放大倍數(shù)，定義為每變化單位轉(zhuǎn)速所引起的溶氧濃度的變化;n：攪拌器轉(zhuǎn)速;A、α:設(shè)備系數(shù)，與通風(fēng)量、設(shè)備及發(fā)酵液的物料特性有關(guān)。由式１0－３８可以看出:①當(dāng)轉(zhuǎn)速n較低時(shí),增大n對(duì)K有明顯作用；②當(dāng)轉(zhuǎn)速n很高時(shí)，K值趨向于零,此時(shí)，增大n就起不到調(diào)整的作用。同時(shí)增大轉(zhuǎn)速，不僅會(huì)使消耗功率增大，還會(huì)由于攪拌的剪切作用，打碎菌絲體,促使菌體自溶并削減產(chǎn)量。(3)轉(zhuǎn)變氣體組成中的氧分壓用通入純氧方法來轉(zhuǎn)變空氣中氧的含量，提高了C*值,因而提高了供氧力量。純氧成本較高,但對(duì)于某些發(fā)酵需要時(shí),如溶氧低于臨界值時(shí),短時(shí)間內(nèi)加入純氧有效而可行的,這種方法在試驗(yàn)室動(dòng)植物細(xì)胞培育中已被接受。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。(4)轉(zhuǎn)變罐壓增加罐壓實(shí)際上就是轉(zhuǎn)變氧的分壓Pｏ2來提高Ｃ＊,從而提高供氧力量,但此法不是格外有效,主要緣由是:①提高罐壓就要相應(yīng)地增加空壓機(jī)的出口壓力，也就是增加了動(dòng)力消耗。②發(fā)酵罐的強(qiáng)度也要相應(yīng)增加。③提高罐壓后,產(chǎn)生的CO２溶解量也要增加，會(huì)使培育液的pH值發(fā)生變化，這些對(duì)菌體生產(chǎn)都極為不利。（5）轉(zhuǎn)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)不斷轉(zhuǎn)變,例如轉(zhuǎn)變培育液的表面張力、粘度及離子強(qiáng)度等就影響培育液中氣泡的大小、氣泡的溶解性、穩(wěn)定性以及合并為大氣泡的速率。同時(shí)發(fā)酵液的性質(zhì)還影響到液體的流淌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