體積氧傳遞系數(shù)KLa：決定發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量的核心參數(shù)，三大影響因素全解析

體積氧傳遞系數(shù)（KLa）是發(fā)酵罐在單位時(shí)間內(nèi)將氧氣從氣體傳遞到液體中的最大綜合能力的度量，可以直觀理解為發(fā)酵罐的“肺活量”——數(shù)值越高，系統(tǒng)的“呼吸”與供氧效率就越高。

一、發(fā)酵罐設(shè)備參數(shù)

      發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)與部件設(shè)計(jì)直接影響氧傳遞效率，主要包括幾何形狀、攪拌器、擋板及空氣分布器等。這些參數(shù)往往與攪拌器直徑d密切相關(guān)，且攪拌器直徑對KLa的影響尤為顯著，因此常以d作為代表設(shè)備參數(shù)的基本變量。

       攪拌有兩個(gè)核心功能。第一是打碎氣泡：高速旋轉(zhuǎn)的攪拌槳葉能將通入的大氣泡切割成無數(shù)小氣泡，極大地增加氣液接觸的表面積（即公式中的a）。第二是創(chuàng)造湍流：強(qiáng)烈的攪拌使液體劇烈流動(dòng)，減薄氣泡周圍的液膜厚度，讓氧氣更容易從氣泡擴(kuò)散到液體中（即提高KL）。

       一般來說，攪拌器直徑越大、轉(zhuǎn)速越快，打碎氣泡和創(chuàng)造湍流的效果就越強(qiáng)，KLa值顯著提高。

      擋板是安裝在罐壁的豎條板，防止液體隨著攪拌器一起旋轉(zhuǎn)形成“漩渦”。有了擋板，液體被迫上下翻騰，形成更有效的全罐混合和湍流。在合適的全擋板條件下，能最大化攪拌效率，從而提升  KLa。

      空氣分布器（噴管/噴環(huán)）是將無菌空氣均勻地分布到罐體底部。分布器孔徑和布局會(huì)影響初始?xì)馀莸拇笮『头植肌７植荚O(shè)計(jì)良好，能產(chǎn)生更均勻、更小的初始?xì)馀荩瑸楹罄m(xù)攪拌打碎提供更好的基礎(chǔ)，有助于KLa的提高。

二、發(fā)酵罐操作參數(shù)

       操作條件對KLa具有重要調(diào)節(jié)作用，主要包括通氣表觀線速度Ws 、攪拌轉(zhuǎn)速N、攪拌功率Ps、發(fā)酵液體積V以及液柱高度HL等。其中， Ws和N的影響最為突出，在實(shí)踐中常被視為關(guān)鍵操作變量。

       攪拌轉(zhuǎn)速（N）是最直接、最有效的控制杠桿。提高轉(zhuǎn)速能立即增強(qiáng)氣泡破碎和液體湍動(dòng)，如上所述，能同時(shí)增加氣液接觸面積 ( a ) 和傳質(zhì)系數(shù) ( KL )。 KLa隨攪拌轉(zhuǎn)速的上升而快速增加。但轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致剪切力過大，可能損傷細(xì)胞，并消耗大量功率。

       通氣量 / 表觀線速度（Ws）是通過通氣量影響，通氣量越大，意味著單位時(shí)間內(nèi)通入的空氣越多，罐內(nèi)氣泡的數(shù)量也越多，從而直接增加了氣液接觸的機(jī)會(huì)（即增加a）。

       在一定范圍內(nèi)，提高通氣量能有效增加  KLa 。但并非越高越好，通氣量過大時(shí)，可能超過攪拌器的“處理能力”，導(dǎo)致大氣泡增多、停留時(shí)間縮短，甚至造成“液泛”（氣體直接從液面逸出，未充分接觸），反而可能使KLa的增益下降或能耗劇增。

三、發(fā)酵液性質(zhì)

發(fā)酵液本身的物理性質(zhì)也會(huì)顯著影響氧傳遞，包括密度ρ 、黏度η、界面張力σ以及擴(kuò)散系數(shù)  DL 。這些參數(shù)各自獨(dú)立地對KLa產(chǎn)生影響，因此均需作為基本參數(shù)加以考慮。

    密度、擴(kuò)散系數(shù)的影響：液體密度影響攪拌和通氣時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)。氧氣的擴(kuò)散系數(shù)則直接決定了它在液體中移動(dòng)的難易程度，擴(kuò)散系數(shù)低，傳質(zhì)速度就慢。這些參數(shù)相對穩(wěn)定，但在不同組成的發(fā)酵液中會(huì)有所差異，共同構(gòu)成影響KL的物性背景。

       黏度（η）的影響：這是最重要的物性影響因素。高黏度的發(fā)酵液（如絲狀菌發(fā)酵液或高濃度多糖體系）非常粘稠。

    1. 阻礙氣泡破碎：粘稠的液體像“膠水”一樣，使攪拌器難以切割大氣泡，導(dǎo)致氣泡平均直徑變大，接觸面積 ( a ) 減小。

    2. 增加傳質(zhì)阻力：氣泡周圍的液膜變厚且更穩(wěn)定，氧氣穿越液膜的難度大大增加 ( K_L  下降)。

      發(fā)酵液黏度升高會(huì)嚴(yán)重降低KLa，這是高黏度發(fā)酵過程供氧困難的根本原因。發(fā)酵液自溶黏度升高，經(jīng)常出現(xiàn)溶氧檢測參數(shù)先下降再回升就是這個(gè)原理。

      表面張力（σ）的影響：表面張力影響氣泡的形成和穩(wěn)定性。表面張力低，氣泡容易變形和破裂，有利于形成小氣泡。降低表面張力通常有利于提高KLa。這也是為什么有時(shí)在發(fā)酵中添加消泡劑（通常能降低表面張力）后，雖然是為了消泡，但可能會(huì)意外地暫時(shí)改善氧傳遞。

       體積氧傳遞系數(shù)KLa作為評估發(fā)酵過程中氧傳遞能力的關(guān)鍵參數(shù)，受設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作條件及發(fā)酵液物理性質(zhì)多方面因素的共同影響。    

       簡單說就是通過優(yōu)化設(shè)備與操作，盡可能在發(fā)酵液中制造出數(shù)量眾多、停留時(shí)間長的小氣泡，并讓它們處于劇烈湍動(dòng)的液體環(huán)境中，同時(shí)還要克服發(fā)酵液自身性質(zhì)（尤其是高黏度）帶來的傳質(zhì)阻力。

       體積氧傳遞系數(shù)（KLa）是衡量發(fā)酵過程中氧氣從氣相傳遞到液相效率的核心指標(biāo)，直接決定了微生物能否獲得充足氧氣進(jìn)行生長與代謝，是發(fā)酵工藝優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計(jì)及生產(chǎn)穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵依據(jù)，其數(shù)值高低直接關(guān)聯(lián)發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量與質(zhì)量。對于工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)建，需對其有深入的了解。