反應器中氧的傳遞特征特性

目前，大多數(shù)的工業(yè)發(fā)酵屬于好氧發(fā)酵，在發(fā)酵的過程中需要不斷地向發(fā)酵罐中供給足夠的氧，以滿足微生物生長代謝的需要。在實驗室，可以通過搖床的轉(zhuǎn)動，使空氣中的氧氣通過氣液界面進入搖瓶發(fā)酵液中，成為發(fā)酵液中的溶解氧，從而實現(xiàn)對微生物的供氧；而中試規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵過程則需要向發(fā)酵罐中通入無菌空氣，并同時進行攪拌，為微生物提供生長和代謝所需的溶解氧。

好氧發(fā)酵中進行通氣供氧時，微生物的供氧過程是氣相中的氧先溶解在發(fā)酵液中，然后傳遞到細胞內(nèi)的呼吸酶位置上而被利用。這系列的傳遞過程又可分為供氧與耗氧兩個方面。供氧是指空氣中的氧從空氣泡里通過氣膜、氣液界面和液膜擴散到液體主流中。耗氧是指氧分子自液體主流通過液膜、菌絲叢、細胞膜擴散到細胞內(nèi)。氧在傳遞過程中必須克服系列的阻力，才能到達反應部位，被微生物所利用。

氧從空氣泡到達細胞的總傳遞阻力為上述各阻力之和：

1kt=1k1+1k2+1k3+1k4+1k5+1K6+1k7+1k8（88）從氧的溶解過程可知，由于氧是難溶于水的氣體，所以供氧方面的主要阻力是液膜阻力1k3。工業(yè)上常將通入培養(yǎng)液的空氣分散成細小的泡沫，盡可能增大氣液兩相的接觸界面和接觸時間，以促進氧的溶解。在耗氧方面，氧通過細胞周圍液膜的阻力很小，但此液膜阻力隨細胞外徑的增大而增大。耗氧方面的阻力主要是菌絲叢或菌絲團內(nèi)傳遞阻力與細胞膜阻力，即1k6與1k7。但攪拌可以減少逆向擴散的梯度，因此也可以降低這方面的阻力。

氧在克服上述阻力進行傳遞的過程中需要推動力，傳遞過程中的總推動力就是氣相與細胞內(nèi)的氧分壓之差，這總推動力是被消耗于從氣相到細胞內(nèi)的各項串聯(lián)的傳遞阻力。當氧的傳遞達到穩(wěn)態(tài)時，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率相等，這時通過單位面積的傳遞速率為NO2=推動力阻力=Api1/ki（89）式中：NO2為氧的傳遞通量，單位為mol-m-2-s-1；Api為各階段的推動力（分壓差），單位為pa；1/ki為各階段的傳遞阻力，單位為N-s-mol-1。

微生物發(fā)酵過程中，通入發(fā)酵罐內(nèi)的氧不斷溶解于培養(yǎng)液中，以供菌體細胞代謝之用。這種由氣態(tài)氧轉(zhuǎn)變成溶解態(tài)氧的過程與液體吸收氣體的過程相同，所以可用描述氣體溶解于液體的雙膜理論中的傳質(zhì)公式表示發(fā)酵過程中氧的傳遞速率：NO2=p-pi1/kG=ci-cL1/KL=kG（p-pi）=kL（ci-cL）（810）式中：p、pi為氣相中及氣液界面處氧的分壓，單位為Mpa；cL、ci為液相中及氣液界面處氧的濃度，kmol-m-3；kG為氣膜傳質(zhì)系數(shù)，單位為kmol-m-2-h-1-Mpa-1；kL為液膜傳質(zhì)系數(shù)，單位為m-h-1。

由于不可能測定界面處的氧分壓和氧濃度，為了計算方便，通常情況下，改用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動力表示，在穩(wěn)定狀態(tài)時，有NO2=KL（C*-CL）=KG（p-p）（811）式中：KG為以氧分壓差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位為kmol-m-2-h-1-Mpa-1；KL為以氧濃度差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位為m-h-1；cL為發(fā)酵液中氧的實際濃度，單位為kmol-m-3；c*為與氣相中氧分壓p平衡的發(fā)酵液氧濃度，單位為kmol-m-3；p為氣相中氧分壓，單位為Mpa；p*為與液相中氧濃度C平衡的氧分壓，單位為Mpa。

根據(jù)亨利定律，氧的溶解度隨氧分壓的升高而增大，即c=ph（812）式中：h為亨利常數(shù)，單位為pa-L-mmol-1。由公式（810）可得1KG=1kG+hkL（813）1KL=1kL+1hkG（814）在實際應用中，常將KL與a合并作為個項處理，稱為容積氧傳遞系數(shù)KLa，因此，在單位體積的培養(yǎng)液中，氧的傳遞速率可表示為OTR=KLa（c*-cL）（815）式中：OTR為氧的傳遞速率，單位為kmolm-3-h-1；KLa為以濃度差為推動力的容積氧傳遞系數(shù)，單位為h-1，其中a為比表面積，單位為m2-m-3。

為滿足微生物的呼吸代謝活動的耗氧速率，供氧應至少保證耗氧的需要量，即OTR=KLa（c*-cL）=Q02X=r（816）移項后得KLa=Q02Xc*-cL（817）對個培養(yǎng)物來說，這是低的通氣條件。

在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液內(nèi)某瞬間溶解氧濃度變化可用下式表示：

dodt=Kla（c*cL）-Q02X（818）在穩(wěn)定狀態(tài)下，dodt=0，則cL=c*；Q02XKLa（819）發(fā)酵液若處于充裕的通氣下，這時CL會逐漸接近c*。

反之，cL逐漸下降而趨于0，這時氧傳遞速率大。