反应器中氧的传递特征特性

目前，大多数的工业发酵属于好氧发酵，在发酵的过程中需要不断地向发酵罐中供给足够的氧，以满足微生物生长代谢的需要。在实验室，可以通过摇床的转动，使空气中的氧气通过气液界面进入摇瓶发酵液中，成为发酵液中的溶解氧，从而实现对微生物的供氧；而中试规模和生产规模的发酵过程则需要向发酵罐中通入无菌空气，并同时进行搅拌，为微生物提供生长和代谢所需的溶解氧。

好氧发酵中进行通气供氧时，微生物的供氧过程是气相中的氧先溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。这系列的传递过程又可分为供氧与耗氧两个方面。供氧是指空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。耗氧是指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。氧在传递过程中必须克服系列的阻力，才能到达反应部位，被微生物所利用。

氧从空气泡到达细胞的总传递阻力为上述各阻力之和：

1kt=1k1+1k2+1k3+1k4+1k5+1K6+1k7+1k8（88）从氧的溶解过程可知，由于氧是难溶于水的气体，所以供氧方面的主要阻力是液膜阻力1k3。工业上常将通入培养液的空气分散成细小的泡沫，尽可能增大气液两相的接触界面和接触时间，以促进氧的溶解。在耗氧方面，氧通过细胞周围液膜的阻力很小，但此液膜阻力随细胞外径的增大而增大。耗氧方面的阻力主要是菌丝丛或菌丝团内传递阻力与细胞膜阻力，即1k6与1k7。但搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也可以降低这方面的阻力。

氧在克服上述阻力进行传递的过程中需要推动力，传递过程中的总推动力就是气相与细胞内的氧分压之差，这总推动力是被消耗于从气相到细胞内的各项串联的传递阻力。当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速率相等，这时通过单位面积的传递速率为NO2=推动力阻力=Api1/ki（89）式中：NO2为氧的传递通量，单位为mol-m-2-s-1；Api为各阶段的推动力（分压差），单位为pa；1/ki为各阶段的传递阻力，单位为N-s-mol-1。

微生物发酵过程中，通入发酵罐内的氧不断溶解于培养液中，以供菌体细胞代谢之用。这种由气态氧转变成溶解态氧的过程与液体吸收气体的过程相同，所以可用描述气体溶解于液体的双膜理论中的传质公式表示发酵过程中氧的传递速率：NO2=p-pi1/kG=ci-cL1/KL=kG（p-pi）=kL（ci-cL）（810）式中：p、pi为气相中及气液界面处氧的分压，单位为Mpa；cL、ci为液相中及气液界面处氧的浓度，kmol-m-3；kG为气膜传质系数，单位为kmol-m-2-h-1-Mpa-1；kL为液膜传质系数，单位为m-h-1。

由于不可能测定界面处的氧分压和氧浓度，为了计算方便，通常情况下，改用总传质系数和总推动力表示，在稳定状态时，有NO2=KL（C*-CL）=KG（p-p）（811）式中：KG为以氧分压差为总推动力的总传质系数，单位为kmol-m-2-h-1-Mpa-1；KL为以氧浓度差为总推动力的总传质系数，单位为m-h-1；cL为发酵液中氧的实际浓度，单位为kmol-m-3；c*为与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度，单位为kmol-m-3；p为气相中氧分压，单位为Mpa；p*为与液相中氧浓度C平衡的氧分压，单位为Mpa。

根据亨利定律，氧的溶解度随氧分压的升高而增大，即c=ph（812）式中：h为亨利常数，单位为pa-L-mmol-1。由公式（810）可得1KG=1kG+hkL（813）1KL=1kL+1hkG（814）在实际应用中，常将KL与a合并作为个项处理，称为容积氧传递系数KLa，因此，在单位体积的培养液中，氧的传递速率可表示为OTR=KLa（c*-cL）（815）式中：OTR为氧的传递速率，单位为kmolm-3-h-1；KLa为以浓度差为推动力的容积氧传递系数，单位为h-1，其中a为比表面积，单位为m2-m-3。

为满足微生物的呼吸代谢活动的耗氧速率，供氧应至少保证耗氧的需要量，即OTR=KLa（c*-cL）=Q02X=r（816）移项后得KLa=Q02Xc*-cL（817）对个培养物来说，这是低的通气条件。

在发酵过程中，培养液内某瞬间溶解氧浓度变化可用下式表示：

dodt=Kla（c*cL）-Q02X（818）在稳定状态下，dodt=0，则cL=c*；Q02XKLa（819）发酵液若处于充裕的通气下，这时CL会逐渐接近c*。

反之，cL逐渐下降而趋于0，这时氧传递速率大。