【文章內(nèi)容簡介】 fusion.圖1023 Diffusion through the bubble boundary layerMany factors will affect the rate of diffusion of oxygen through the boundary layer, including the: temperature, concentration of oxygen in the bulk liquid, saturation concentration of oxygen in the liquid, concentration of oxygen in the bubble, size of the molecule, viscosity of the medium.（4）Movement through the bulk liquid by forced convection and diffusion 圖1025 Movement through the bulk liquid by forced convection and diffusionThe rate of movement of an oxygen molecule through the bulk liquid is dependent on: the degree of mixing (relative to the volume of the reactor), viscosity of the medium （5）Movement through the floc 圖1026 Movement through the flocThe following steps, plete the journey of the oxygen molecule：Step 5 movement through the boundary layer surrounding the microbial slime. Step 6 entry into the slime Step 7 movement through the slime Step 8 movement across the cell membrane Step 9 reaction Steps 5 and 7 are slow processes.2，The oxygen transfer modelWhen bulk mixing levels are high and suspended cell cultures are involved, the rate limiting step in above process will generally be the diffusion of oxygen through the bubble boundary layer (Step 3). Therefore, it is possible to use the interphase oxygen transfer equation to describe the oxygen transfer rate (OTR):3，Oxygen transfer coefficient (kL) and interfacial area (a)Because it not possible to accurately measure the total interfacial area of the gas bubbles (a), kL and a are bined into single term, referred to KLa. The KLa represents the oxygen transfer rate per unit volume.4，The balance between OXYGEN DEMAND and SUPPLYUptake rate： γ= Qo2X （109）Supply rate：When OTR=γ, KLa = Qo2X /(C*CL)When OTR γ, CL ↑When OTR 227。, cL ↓If γis a constant, KLa ↑, CL ↑三、影響氧傳遞速率的主要因素根據(jù)氧傳遞速率方程 OTR=KLa（C*CL） （1010）凡是影響氧傳遞推動力（C*CL）、氣液比表面積a和氧傳遞常數(shù)的因素都會影響氧傳遞速率。1，溶液的性質(zhì)對氧溶解度的影響氧是一種難溶氣體，在25℃lO5Pa時，。氧在水中的溶解度隨溫度的升高而降低(表51)，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經(jīng)驗式來計算：表101 純氧在不同溫度水中的溶解度（lO5Pa）溫度（℃）溶解度（mol/m3）溫度（℃）溶解度（mol/m3）010152025303540 （1011）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52所示。表102 25℃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公式計算： （1012）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1027示出了氧在幾種鹽溶液中的溶解度與鹽濃度的關(guān)系。如果是幾種電解質(zhì)的混合溶液，此時氧的溶解度則可根據(jù)溶液的離子強度計算： （1013）式中 hi：第I種離子的常數(shù)（m3/kmol） Ii：第I種離子的離子強度（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)溶液相似： （1014）式中： ：氧在在非電解質(zhì)溶液中的溶解度（mol/m3）； ：非電解質(zhì)或有機物濃度（kg/m3）。若培養(yǎng)基中同時含有電解質(zhì)和非電解質(zhì)，氧的溶解度則可用下式計算： （1015）式中 ：氧在混合溶液中的溶解度（mol/m3）。圖1027 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，其中最簡單的方法是增加罐壓。但是要注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，所以增加罐壓是有一定限度的。另一種方法是增加空氣中氧的含量，進行富氧通氣操作。即通過深冷分離法、吸附分離法及膜分離法制得富氧空氣，然后通入發(fā)酵液。目前由于這三種分離方法的成本都較高，富氧通氣還處于研究階段。2，氣——液比表面積對氧溶解度的影響根據(jù)氧傳遞速率方程（式1010），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。對于帶有機械攪拌的發(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)。攪拌對比表面積的影響較大，因為攪拌方面可使氣泡在液體中產(chǎn)生復(fù)雜的運動，延長停留時間，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，減少氣泡的直徑。而表面張力的作用則阻止氣泡的變化和粉碎，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。但通氣量增大到一定程度，如不改變攪拌速度，則會降低攪拌功率，甚至發(fā)生空氣“過載”現(xiàn)象，導(dǎo)致氣泡的凝聚形成大氣泡。3，影響氧傳遞系數(shù)的因素（1）攪拌攪拌轉(zhuǎn)速對KLa值具有很大的影響，對于帶有機械攪拌的通風(fēng)發(fā)酵罐，攪拌是以下述方式促進氧的傳遞：①攪拌能把大的空氣泡分散成細(xì)小的氣泡，防止小氣泡的凝聚，增加了氧與液體的接觸面積；②攪拌使發(fā)酵液作渦流運動，延長了氣泡在發(fā)酵液中的停留時間；③攪拌使菌體分散，避免結(jié)團，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動力均一，同時也減少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517來表示： （1016）式中 Pg：通氣時攪拌器的軸功率(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1016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103 Pg/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)實驗室規(guī)模中試規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模（2）空氣線速度空氣線速度較小時，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，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。空氣線速度增大到一定程度，如不改變攪拌速度，則會降低攪拌功率，甚至發(fā)生“過載”現(xiàn)象，會使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低，使KLa降低。圖1028是表觀空氣速度與氧傳遞系數(shù)KLa的關(guān)系。lgVs圖1028 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。空氣分布管的型式、噴口直徑及管口與罐底距離的相對位置對氧溶解速率有較大的影響。當(dāng)通風(fēng)量較小時，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)量超過一定值后，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，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)，大量繁殖菌體，積累代謝產(chǎn)物等都引起培養(yǎng)液的性質(zhì)的改變，特別是粘度、表面張力、離子濃度、密度、擴散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進而對氧傳遞系數(shù)K出帶來很大的影響。此外，發(fā)酵液粘度的改變還會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