第三章生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第二篇生物反應(yīng)設(shè)備第三章生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)內(nèi)容概述第一節(jié)生物反應(yīng)過(guò)程的剪切力第二節(jié)生物反應(yīng)器的傳質(zhì)問(wèn)題第三節(jié)生物反應(yīng)器的混合概述生物反應(yīng)器（bioreactor）是一個(gè)人們對(duì)生物有機(jī)體進(jìn)行有效控制和培養(yǎng)以生產(chǎn)某種產(chǎn)品，或進(jìn)行特定反應(yīng)的容器。發(fā)酵罐（fermentator）：厭氧發(fā)酵罐1970’s:生化反應(yīng)器（biochemicalreactor）和生物學(xué)反應(yīng)器（biologicalreactor）1980’s:生物反應(yīng)器（biorector）成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的名稱現(xiàn)在：發(fā)酵罐、酶反應(yīng)器、固定化酶和細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器生物反應(yīng)器與化學(xué)反應(yīng)器的比較生物（酶除外）反應(yīng)都以“自催化”（autocalalysis）方式進(jìn)行，即在目的產(chǎn)物生成的過(guò)程中生物自身要生長(zhǎng)繁殖。由于生物反應(yīng)速率較慢，生物反應(yīng)器的體積反應(yīng)速率不高；與其他相當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模的加工過(guò)程相比，所需反應(yīng)器體積大；對(duì)好氧反應(yīng)，因通風(fēng)與混合等，動(dòng)力消耗高；產(chǎn)物濃度低。生物反應(yīng)器的作用為生物體代謝提供一個(gè)優(yōu)化的物理及化學(xué)環(huán)境，使生物體能更好地生長(zhǎng)。得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。生物反應(yīng)器的操作特性

反應(yīng)器類型pH控制溫度控制工業(yè)重要特性主要應(yīng)用領(lǐng)域通用罐如需如需人事費(fèi)用高大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)攪拌罐如需如需流速受沖出限制污水處理、SCP生產(chǎn)等氣升式反應(yīng)器如需如需空壓機(jī)出口壓力要高有機(jī)酸,如檸檬酸生產(chǎn)等鼓泡式反應(yīng)器如需如需可采用鼓風(fēng)機(jī)面包酵母等生產(chǎn)自吸式反應(yīng)器如需如需需轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)乙酸、酵母等生產(chǎn)固體發(fā)酵設(shè)備如需如需人事費(fèi)用高麩曲、酶制劑和麥芽生產(chǎn)等嫌氣反應(yīng)器如需如需無(wú)需通風(fēng)設(shè)備酒精、啤酒等生產(chǎn)動(dòng)植物細(xì)胞用反應(yīng)器如需如需剪切力應(yīng)小雜交瘤單克隆抗體、煙草細(xì)胞培養(yǎng)等光合反應(yīng)器如需如需需光源微藻等生產(chǎn)高效生物反應(yīng)器的特點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)嚴(yán)密；良好的液體混合性能，較高的三傳效率；能耗低；易于放大；具有配套而又可靠的檢測(cè)及控制儀表等。生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要目的和設(shè)計(jì)原理目的：最大限度地降低成本，用最少的投資來(lái)最大限度地增加單位體積產(chǎn)率原理：基于強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱等操作，將生物體活性控制在最佳條件，降低總的操作費(fèi)用。微生物反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量衡算微生物反應(yīng)過(guò)程用有正確系數(shù)的反應(yīng)方程式來(lái)表達(dá)基質(zhì)到產(chǎn)物的反應(yīng)過(guò)程非常困難。為了表示出微生物反應(yīng)過(guò)程中各物質(zhì)和各組分之間的數(shù)量關(guān)系，最常用的方法是對(duì)各元素進(jìn)行原子衡算。微生物反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量和能量衡算如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細(xì)胞的分子式定義為CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此時(shí)用碳的定量關(guān)系式表示微生物反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系是可行的。式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細(xì)胞的元素組成，CHuOvNw為產(chǎn)物的元素組成。下標(biāo)m、n、u、v、w、x、y、z分別代表與一碳原子相對(duì)應(yīng)的氫、氧、氮的原子數(shù)。對(duì)各元素做元素平衡，得到如下方程：

(3-2)方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六個(gè)未知數(shù)，需六個(gè)方程才能解。微生物反應(yīng)過(guò)程的得率系數(shù)得率系數(shù)是對(duì)碳源等物質(zhì)生成細(xì)胞或其他產(chǎn)物的潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。消耗1g基質(zhì)生成細(xì)胞的克數(shù)稱為細(xì)胞得率或稱生長(zhǎng)得率Yx/s（Cellyield或Growthyield）。細(xì)胞得率的單位是g細(xì)胞/g基質(zhì)。這里的細(xì)胞是指干細(xì)胞的質(zhì)量（除特殊說(shuō)明外，以下細(xì)胞的質(zhì)量均指干細(xì)胞）。某一瞬間的細(xì)胞得率稱為微分細(xì)胞得率（或瞬時(shí)細(xì)胞得率）式中rx是微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，rs是基質(zhì)的消耗速率。同一菌種，同一培養(yǎng)基，好氧培養(yǎng)的Yx/s比厭氧培養(yǎng)的大的多。當(dāng)基質(zhì)為碳源，無(wú)論是好氧培養(yǎng)還是厭氧培養(yǎng)，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）為細(xì)胞的組成成分，其余部分被異化（dissimilateorcatabolism）分解為CO2和代謝產(chǎn)物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關(guān)的細(xì)胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分別為單位質(zhì)量細(xì)胞和單位質(zhì)量基質(zhì)中所含碳源素量。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。式（3-1）中的系數(shù)c實(shí)際就是Yc。微生物反應(yīng)的特點(diǎn)之一是通過(guò)呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成ATP。在氧化過(guò)程中，可通過(guò)有效電子數(shù)來(lái)推算碳源的能量。當(dāng)1mol碳源完全氧化時(shí)，所需要氧的mol數(shù)的4倍稱為該基質(zhì)的有效電子數(shù)。式中YATP為相對(duì)于基質(zhì)的ATP生成得率（molATP/mol基質(zhì)），Ms為基質(zhì)的分子量。微生物反應(yīng)中可以用YkJ表示微生物對(duì)能量的利用情況，式中E表示消耗的總能量，包括同化過(guò)程，即菌體所保持的能量Ea和分解代謝的能量Ed。前者可采用干細(xì)胞的燃燒熱，后者可采用所消耗的碳源和代謝產(chǎn)物各自的燃燒熱之差來(lái)計(jì)算。多數(shù)微生物在好氧培養(yǎng)時(shí)的YKJ值為0.028g細(xì)胞/kJ，在厭氧培養(yǎng)時(shí)YKJ的平均值為0.031g細(xì)胞/kJ。對(duì)于光能自養(yǎng)型微生物，如藻類的YKJ約等于0.002g細(xì)胞/kJ。O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來(lái)定義好氧培養(yǎng)中微生物生物代謝機(jī)能的重要指標(biāo)之一的呼吸商(respiratoryquotient)，其定義式為：

酒精發(fā)酵中酵母菌將所產(chǎn)生能量的一部分轉(zhuǎn)化為ATP。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1molATP加水分解為ADP和磷酸的同時(shí)，放出31kJ的熱量。已知在酒精發(fā)酵或乳酸菌發(fā)酵中相對(duì)于1mol葡萄糖產(chǎn)生2molATP?；诖?，在酒精發(fā)酵中有45%（2×31/136=0.46）的能量以ATP的形式儲(chǔ)存起來(lái)。好氧反應(yīng)中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol的ATP，31×38/2871=0.41，也就是說(shuō)41%的能量以ATP的形式儲(chǔ)存起來(lái)。乳酸發(fā)酵（厭氧時(shí)）的能量效率為（31×2）/2871=0.022，即2.2%。一般厭氧培養(yǎng)中YATP約為10.5g細(xì)胞/molATP，好氧培養(yǎng)中為6～29g細(xì)胞/molATP。利用YkJ表示微生物反應(yīng)過(guò)程對(duì)能量利用，有式中為以菌體X的燃燒熱為基準(zhǔn)的焓變。其因菌體的不同有所不同，一般取值=-22.15kJ/g細(xì)胞。ΔHc為所消耗基質(zhì)的焓變與代謝產(chǎn)物的焓變之差，其由下式給出式中ΔHs為碳源氧化的焓變（kJ/mol），ΔHp為產(chǎn)物氧化的焓變（kJ/mol）。生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ)

生物反應(yīng)速率主要指細(xì)胞生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率，其相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型是

細(xì)胞：（3-1）（3-2）基質(zhì)：產(chǎn)物：（3-3）（4-4）反應(yīng)液體積：生長(zhǎng)速率平衡生長(zhǎng)條件下微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率rx的定義式為式中X為微生物的濃度，μ為微生物的比生長(zhǎng)速率，其除受細(xì)胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素所影響。由上式可知，μ與倍增時(shí)間(doublingtime)td的關(guān)系為：F為流入與流出生物反應(yīng)器的基質(zhì)流量[L/h]；i、j和k分別表示相應(yīng)的細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物,

表示基質(zhì)的流加流量。當(dāng)采用分批式操作時(shí),F

=F=0；采用流加式操作時(shí)，F(xiàn)

F=0；采用連續(xù)式操作時(shí),F

=F

0當(dāng)基質(zhì)為碳源，無(wú)論是好氧培養(yǎng)還是厭氧培養(yǎng)，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）為細(xì)胞的組成成分，其余部分被異化（dissimilateorcatabolism）分解為CO2和代謝產(chǎn)物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關(guān)的細(xì)胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分別為單位質(zhì)量細(xì)胞和單位質(zhì)量基質(zhì)中所含碳源素量。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。式（3-1）中的系數(shù)c實(shí)際就是Yc。傳熱

生物反應(yīng)器中的能量平衡可表示為：（3-5）式中Qmet為微生物代謝或酶活力造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qag為攪拌造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qgas為通風(fēng)造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qacc為體系中單位體積的積累產(chǎn)熱速率；Qexch為單位體積反應(yīng)液向周圍環(huán)境或冷卻器轉(zhuǎn)移熱的速率；Qevap為蒸發(fā)造成的單位體積熱損失速率；Qsen為熱流（流出－流入）造成的單位體積敏感焓上升的速率。實(shí)際生物反應(yīng)過(guò)程中的熱量計(jì)算，可采用如下方法：

１、通過(guò)反應(yīng)中冷卻水帶走的熱量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每m3發(fā)酵液每小時(shí)傳給冷卻器最大的熱量為：青霉素發(fā)酵約為25000kJ/(m3h);鏈霉素發(fā)酵約為19000kJ/(m3h);四環(huán)素發(fā)酵約為20000kJ/(m3h);肌苷發(fā)酵約為18000kJ/(m3h);谷氨酸發(fā)酵約為31000kJ/(m3h)。

2、通過(guò)反應(yīng)液的溫升進(jìn)行計(jì)算。即根據(jù)反應(yīng)液在單位時(shí)間內(nèi)(如半小時(shí))上升的溫度而求出單位體積反應(yīng)液放出熱量的近似值。例如某味精生產(chǎn)廠，在夏天不開冷卻水時(shí)，25m3發(fā)酵罐每小時(shí)內(nèi)最大升溫約為12℃。

3、通過(guò)生物合成進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)Qsen、Qacc和Qgas可忽略不計(jì)，由式7-5可知，（3-6）即反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的總熱量均為冷卻裝置帶走。

4、通過(guò)燃燒熱進(jìn)行計(jì)算（3-7）

式中Q基質(zhì)燃燒為基質(zhì)的燃燒熱，Q產(chǎn)物燃燒為產(chǎn)物的燃燒熱。

生物反應(yīng)器中的換熱裝置的設(shè)計(jì)，首先是傳熱面積的計(jì)算。換熱裝置的傳熱面積可由下式確定。

（3-8）

式中F為換熱裝置的傳熱面積m2；

Qall為由上述方法獲得的反應(yīng)熱或反應(yīng)中每小時(shí)放出的最大熱量kJ/h；

K為換熱裝置的傳熱系數(shù)kJ/(m2·h·℃)；

tm為對(duì)數(shù)溫度差(℃)，由冷卻水進(jìn)出口溫度與醪液溫度而確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：夾套的K值為400～700kJ/（m2·h·℃），蛇管的K值為1200～1900kJ/（m2·h·℃），如管壁較薄，對(duì)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)時(shí)，K值為3300～4200kJ/（m2·h·℃）。氣溫高的地區(qū)，冷卻水溫高，傳熱效果差，冷卻面積較大，1m3發(fā)酵液的冷卻面積超過(guò)2m2。但在氣溫較底的地區(qū)，采用地下水冷卻，冷卻面積較小，1m3發(fā)酵液的冷卻面積為1m2。發(fā)酵產(chǎn)品不同，冷卻面積也有差異。生物反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

1、選擇適宜的生物催化劑。這包括要了解產(chǎn)物在生物反應(yīng)的哪一階段大量生成、適宜的pH和溫度，是否好氧和易受雜菌污染等。2、確定適宜的反應(yīng)器形式。3、確定反應(yīng)器規(guī)模、幾何尺寸、操作變量等。4、傳熱面積的計(jì)算。5、通風(fēng)與攪拌裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。6、材料的選擇與確保無(wú)菌操作的設(shè)計(jì)。7、檢驗(yàn)與控制裝置。8、安全性。9、經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)某生物醫(yī)藥公司為應(yīng)用基因工程菌株發(fā)酵生產(chǎn)某藥物原料（胞內(nèi)產(chǎn)物），產(chǎn)量為30噸/年，現(xiàn)有情況：中試完成，20L發(fā)酵罐達(dá)到的指標(biāo)為細(xì)胞濃度20g/L（干重），細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物含量為5%（干重），細(xì)胞對(duì)糖的轉(zhuǎn)化率為YX/S=0.4，細(xì)胞對(duì)氧的產(chǎn)率YX/O=1.0，在最佳條件（30℃和pH6.5）下，比生長(zhǎng)速率μ=0.3/h，發(fā)酵時(shí)間為16h，要求大罐生產(chǎn)時(shí)細(xì)胞濃度達(dá)到50g/L。實(shí)驗(yàn)室小試純化收率為80%，年生產(chǎn)天數(shù)330d，24h生產(chǎn)。物料衡算及熱量衡算、反應(yīng)器尺寸：每年應(yīng)從發(fā)酵罐中得到的目的產(chǎn)物總量mt為：細(xì)胞年產(chǎn)量GX為：由于細(xì)胞產(chǎn)率為50g/L，則發(fā)酵液總量VT為：發(fā)酵時(shí)間為16h，8h用于罐的清洗、放料、進(jìn)培養(yǎng)基和滅菌燈，則每天1罐。年生產(chǎn)天數(shù)330d，則每天所得發(fā)酵液體積VLT為:因此，可選擇裝液量為45.45的發(fā)酵罐一臺(tái)，第一節(jié)剪切力一、剪切力的度量方法二、剪切作用的影響三、低剪切反應(yīng)器的設(shè)計(jì)剪切力是設(shè)計(jì)和放大生物反應(yīng)器的重要參數(shù)，在生物過(guò)程中，嚴(yán)格地講，對(duì)細(xì)胞的剪切作用僅指作用于細(xì)胞表面且與細(xì)胞表面平行的力，但由于發(fā)酵罐中流體力學(xué)的情況非常復(fù)雜，一般剪切力指影響細(xì)胞的各種機(jī)械力的總稱。一、剪切力的度量方法槳葉尖速度N為攪拌槳轉(zhuǎn)速，Di為槳直徑平均剪切速率（3）積分剪切因子ISF（動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中）：（4）剪切速率（鼓泡塔中）：

γ=kuG

γ-剪切速率kuG-表觀氣速（5）湍流旋渦長(zhǎng)度生物反應(yīng)器一般在湍流下操作，湍流由大小不同的旋渦及能量狀態(tài)構(gòu)成，大旋渦之間通過(guò)內(nèi)部作用產(chǎn)生小旋渦并向其傳遞能量。小旋渦之間又通過(guò)內(nèi)部作用產(chǎn)生更小旋渦并向其傳遞能量，就這樣能量逐級(jí)傳遞給小旋渦。在足夠高的雷諾準(zhǔn)數(shù)下，湍流處于統(tǒng)計(jì)平衡狀態(tài)，在各向同性下，旋渦長(zhǎng)度可由下式計(jì)算二、剪切作用的影響1．剪切力對(duì)微生物的影響2．剪切力對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的影響3．剪切作用對(duì)植物細(xì)胞的影響4．剪切對(duì)酶反應(yīng)的影響三、低剪切反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)攪拌器的改造；開發(fā)出了一些低剪切力的攪拌器，其中以軸向流式翼形攪拌槳為主，它的特點(diǎn)是能耗低，軸向速度大，主體循環(huán)好，剪切作用溫和。開發(fā)非攪拌反應(yīng)器：旋渦膜式反應(yīng)器LightninA315（左）和ProchemMaxfloT攪拌器（右）重要：反應(yīng)器形式的選擇生物催化劑狀態(tài)操作參數(shù)直接或間接影響過(guò)程中上下各步驟以及系統(tǒng)周期性單元設(shè)計(jì)的很多方面。第二節(jié)生物反應(yīng)器的傳質(zhì)問(wèn)題氣－液質(zhì)量傳遞通風(fēng)發(fā)酵中，空氣中的氧要先溶解在液體中，然后再被微生物利用。發(fā)酵設(shè)備的功能之一是提供足夠的溶解氧滿足微生物的需求。供氧速率通常被認(rèn)為是在生物反應(yīng)器的選擇和設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。（一）氣液傳質(zhì)的基本理論（二）體積傳質(zhì)系數(shù)氧在液體中的溶解與微生物的耗氧常溫常壓下，純水中氧的溶解度為0.2mmol氧/L，在發(fā)酵液中的溶解度則更低。耗氧速率：?jiǎn)挝惑w積發(fā)酵液每小時(shí)的耗氧量，一般為25~100mmol氧/（L·h）。谷氨酸發(fā)酵18h耗氧速率為51mmol氧/（L·h），同一類微生物的耗氧速率還受溫度、發(fā)酵液成分和濃度的影響，如當(dāng)供氧不足，葡萄糖濃度為1％時(shí)，酵母的耗氧速率為15~18mmol氧/（L·h），而供氧充足，葡萄糖濃度為15％時(shí)，耗氧速率則達(dá)396~342mmol氧/（L·h）。氧從氣相到微生物細(xì)胞內(nèi)部的傳遞可分為七個(gè)步驟從氣泡中的氣相擴(kuò)散通過(guò)氣膜到氣液界面；通過(guò)氣液界面；從氣液界面擴(kuò)散通過(guò)氣泡的液膜到液相主流；液相溶解氧的傳遞；從液相主流擴(kuò)散通過(guò)包圍細(xì)胞的液膜到達(dá)細(xì)胞表面；氧通過(guò)細(xì)胞壁；微生物細(xì)胞內(nèi)氧的傳遞（一）氣液傳質(zhì)的基本理論氣液傳質(zhì)的基本理論雙膜理論滲透擴(kuò)散理論表面更新理論雙膜理論氣液兩相間存在一個(gè)界面，界面兩側(cè)分別為呈層流狀態(tài)的氣膜和液膜；在氣液界面上兩相濃度相互平衡，界面上不存在傳遞阻力；氣液兩相的主流中不存在氧的濃度差。氧在兩膜間的傳遞在定態(tài)下進(jìn)行，因此氧在氣膜和液膜間的傳遞速率是相等的。前提：（1）氣泡和液體之間存在界面，兩邊分別有氣膜和液膜，均處于層流狀態(tài)，氧分子只能借濃度差以擴(kuò)散方式透過(guò)雙膜，氣體和液體主流空間中任一點(diǎn)的氧分子濃度相同。（2）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中的氧的濃度處于平衡關(guān)系。（3）傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧濃度不隨時(shí)間而變。2）滲透擴(kuò)散理論對(duì)雙膜理論進(jìn)行了修正，層流或靜止液體中氣體的吸收是非定態(tài)過(guò)程液膜內(nèi)氧邊擴(kuò)散邊被吸收氧濃度分布隨時(shí)間變化。3）表面更新理論液相各微元中氣液接觸時(shí)間是不等的而液面上的各微元被其他微元置換的幾率是相等的。氧的傳遞阻力來(lái)自氣膜和液膜氣膜側(cè)氧的質(zhì)量通量NG：液膜側(cè)氧的質(zhì)量通量NL：pOG/pOGi-氣膜側(cè)主流氣體和氣液界面上的氧分壓；

kG-氣相傳質(zhì)系數(shù)；qG-氣膜側(cè)氧的總傳遞速率；

A-氣液界面面積；kL-液相傳質(zhì)系數(shù)；cOLi/cOL-液膜側(cè)氣液界面和液相主流中的氧濃度界面濃度難以測(cè)定，用液相參數(shù)關(guān)聯(lián)的總傳質(zhì)系數(shù)KL和總推動(dòng)力cOL*-cOL表示：cOL-液相主流中的氧濃度；cOL*-與氣相氧分壓相平衡的液相溶氧濃度，可由Henry定律計(jì)算：H-Henry常數(shù)液相總傳質(zhì)系數(shù)與液相傳質(zhì)系數(shù)和氣相傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系如下對(duì)微溶氣體如氧，M遠(yuǎn)大于1，因此KL≈kL

即阻力主要來(lái)自于液膜這邊的質(zhì)量傳遞，描述氣液傳遞時(shí)，常用kL取代KL。H為Henry常數(shù)（二）體積傳質(zhì)系數(shù)kLa決定反應(yīng)結(jié)構(gòu)的最相關(guān)的參數(shù)定義為質(zhì)量傳遞的比速率，指在單位濃度差下，單位時(shí)間、單位界面面積所吸收的氣體。取決于系統(tǒng)的物理特性和流體動(dòng)力學(xué)。由兩項(xiàng)產(chǎn)生：一是質(zhì)量傳遞系數(shù)，取決于系統(tǒng)的物理特性和靠近流體表面的流體動(dòng)力學(xué)；二是氣液比表面積。通常kLa愈大，好氧生物反應(yīng)器的傳質(zhì)性能愈好。（三）KLa與設(shè)備參數(shù)操作變數(shù)間的關(guān)系(影響溶氧系數(shù)KLa的主要因素)從前面所述：氧傳遞速率NV=KLa(C*-C)

因此影響NV的主要因素有溶氧系數(shù)KLa值和推動(dòng)力C*-C。

要提高NV，需要提高Kla。與Kla有關(guān)系的有攪拌、空氣線速度、空氣分布器、發(fā)酵液性質(zhì)等。與推動(dòng)力有關(guān)的有發(fā)酵液濃度、氧分壓、發(fā)酵液性質(zhì)等。

1.攪拌：(1)目的:

a.擴(kuò)散氣流，強(qiáng)化氣流的湍流程度，使氣液固三相更好接觸，提高溶氧速率。b.使微生物懸浮液混合一致促進(jìn)代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)速率。攪拌可分三方面改善溶氧速率：

a.把空氣打成細(xì)泡，從而增加有效界面?zhèn)鬟f面積。

b.攪拌使液體形成湍流，可以延長(zhǎng)氣泡在液體中心的停留時(shí)間。

c.加強(qiáng)液體湍流，減少氣泡周圍液膜厚度，減少液膜阻力，從而增大KLa值。

攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固體傳遞中的接觸面積增加使推動(dòng)力增加。但是過(guò)渡強(qiáng)烈的攪拌，產(chǎn)生的剪切作用大，對(duì)細(xì)胞有損傷，特別是絲狀菌的發(fā)酵類型，更考慮到剪切力對(duì)細(xì)胞的損傷。對(duì)KLa值有影響的：攪拌器的形式，直徑大小，轉(zhuǎn)速，組數(shù)，攪拌器間距以及在罐內(nèi)相對(duì)位置。一般地說(shuō)，增加攪拌器直徑D對(duì)增加攪拌循環(huán)量有利，增加轉(zhuǎn)速對(duì)提高溶氧系數(shù)有利。

2.空氣流速機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)KLa與通氣線速度Vs有關(guān)系：KLa正比于空氣線速度Vs，當(dāng)加大通風(fēng)量Q時(shí)，Vs相應(yīng)增加，溶氧增加。但是，另一方面，增加Q，在轉(zhuǎn)速N不變時(shí)，Pg會(huì)下降，又會(huì)使KLa下降。同時(shí)Vs過(guò)大時(shí)，會(huì)發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象。。因此，單純?cè)龃笸L(fēng)量來(lái)提高溶氧系數(shù)并不一定取得好的效果。因此，只有在增大Q的同時(shí)也相應(yīng)提高轉(zhuǎn)速N，使Pg不至過(guò)分降低的情況下，才能最有效地提高Kla。

3.空氣分布裝置

空氣分布裝置有單管、多孔環(huán)管和多孔分支環(huán)管等幾種。當(dāng)通風(fēng)量很小時(shí)，氣泡的直徑與空氣噴口直徑的1/3次方成正比，也就是說(shuō)噴口直徑越小，溶氧系數(shù)越大。但是，一般發(fā)酵工業(yè)的通風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)范圍，這時(shí)氣泡直徑只與通風(fēng)量有關(guān)，與噴口直徑無(wú)關(guān)。

4.發(fā)酵罐內(nèi)柱高度據(jù)報(bào)道，當(dāng)H/D（高徑比）從1加到3時(shí)，KLa可增加40％左右。當(dāng)H/D從2增加到3時(shí)，KLa增加20％。由此可見，H/D小，氧利用率小，氧利用率差。H/D太大，溶氧系數(shù)增加不大。相反由于罐身過(guò)高液柱壓差大

氣泡體積被壓縮，以至造成氣液界面小的缺點(diǎn)。H/D大，廠房要求也高，一般H/D＝1.7～4，以2～3為宜。5.發(fā)酵液的物理性質(zhì)

有些有機(jī)物質(zhì)，如蛋白胨，能降低KLa值。當(dāng)水中加入1％蛋白胨時(shí)，會(huì)將KLa減少到原來(lái)的1/3左右，同時(shí)氣泡直徑減少15％左右，而KLa值降到未加蛋白胨時(shí)的40％左右。在發(fā)酵過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用,代謝產(chǎn)物的積累，菌體的繁殖都會(huì)改變培養(yǎng)液的粘度、表面張力、離子強(qiáng)度等。從而影響氣泡大小、氣泡穩(wěn)定性和氧的傳遞速度。培養(yǎng)物濃度增大、粘度增大、KLa值降低。6.溫度溫度對(duì)溶氧系數(shù)KLa的影響可用下式來(lái)表示；

上式可以看出，KLa隨溫度升高而增大。

7.氧分壓根據(jù)亨利定律，增大氧分壓可提高溶氧濃度，從而增大推動(dòng)力（C*-C），增大溶氧速率。采用純氧、含氧量高的空氣、增大罐壓三種方法均能增大氧分壓。但采用純氧在經(jīng)濟(jì)方面是不合算的；增大罐壓使空氣壓力要求增大，整個(gè)設(shè)備耐壓要求也提高了。（3）其他因素的影響表面活性劑：消沫用的油脂分布在氣液界面，增大傳遞阻力，使kLa下降；離子強(qiáng)度：在電解質(zhì)溶液中生成的氣泡比在水中小得多，因而有較大的比表面積。電解質(zhì)濃度大的溶液的kLa比濃度低的溶液的kLa大；細(xì)胞：培養(yǎng)液中細(xì)胞濃度的增加，會(huì)使kLa變小，細(xì)胞的形態(tài)對(duì)kLa的影響也很顯著，球狀菌懸浮液的kLa比同樣濃度絲狀菌的大。綜上所述，提高K的途徑：(1)增加攪拌器轉(zhuǎn)速N、以提高Pg、可以有效提高KLa;(2)增大通氣量Q、可提高Vs。只有在增大Q的同時(shí)也相應(yīng)提高N，不使Pg過(guò)分下降的情況下才會(huì)有效。(3)為了提高NV，除了提高KLa之外，提高C*也是可行的方法。1．影響kLa的因素（1）操作條件的影響攪拌和通氣的影響：帶有機(jī)械攪拌的通氣培養(yǎng)裝置，攪拌器對(duì)物質(zhì)傳遞有幾個(gè)方面的作用：1）可以增大氣液相的接觸面積；2）可以延長(zhǎng)氣泡在液體中的停留時(shí)間；3）可以減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳遞過(guò)程的阻力；4）有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝物的分散。沒(méi)有機(jī)械攪拌的鼓泡培養(yǎng)設(shè)備及氣升式培養(yǎng)設(shè)備，則利用氣泡在液體中的上升，帶動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生攪拌作用。攪拌和通氣對(duì)kLa的影響：K-常數(shù)，其因次與α、β具體數(shù)值有關(guān)；PG-通氣時(shí)的攪拌功率；V-培養(yǎng)液的體積；ω-通氣的表觀線速度。在實(shí)際操作中，通氣量的影響有一定的限度，超過(guò)時(shí)，攪拌器不能有效地將空氣泡分散到液體中，而在大量氣泡中空轉(zhuǎn)，發(fā)生所謂“過(guò)載”現(xiàn)象，導(dǎo)致攪拌功率大大下降，也不能提高kLa。攪拌功率過(guò)大會(huì)產(chǎn)生很大的剪切作用，可能對(duì)所培養(yǎng)的細(xì)胞造成傷害，也會(huì)產(chǎn)生大量攪拌熱，加重傳熱的負(fù)擔(dān)。2．kLa的測(cè)量溶氧電極法亞硫酸鹽法動(dòng)態(tài)法定態(tài)法極譜法等。2、溶氧電極法是一種參量變換器，把溶氧濃度轉(zhuǎn)變成一個(gè)與之呈線性關(guān)系的電流量。這種溶氧電極能耐蒸汽殺菌時(shí)的高溫，可以固定裝在發(fā)酵罐上，連續(xù)的測(cè)量培養(yǎng)液中溶氧濃度，此法為當(dāng)前測(cè)量溶氧濃度的常用方法。亞硫酸鹽法：亞硫酸鹽法是一種冷態(tài)測(cè)定法，通常用CMC或黃原膠模擬培養(yǎng)液的物理性質(zhì)，加入一定量的亞硫酸鈉，利用亞硫酸鈉在銅離子或鈷離子的催化下與氧發(fā)生快速反應(yīng)的原理進(jìn)行測(cè)定。反應(yīng)式：123Na2SO3濃度在0.018~0.45mol/L之間，溫度在20℃～45℃之間時(shí)，式1的反應(yīng)速率與Na2SO3的濃度無(wú)關(guān)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧的傳遞速率，液相中的溶解氧濃度為零，氧傳遞為整個(gè)過(guò)程的控制步驟。此時(shí)可用碘量法測(cè)定亞硫酸鈉消耗的速率而求得氧傳遞速率q。測(cè)定方法：通常在生物反應(yīng)器里進(jìn)行，0.5mol/L的亞硫酸鈉至少含0.003mol/LCu2+。