好氧發(fā)酵的“供氧密碼”：阻力如何決定工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯？

氧傳遞阻力是氧分子從氣相到細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)位點(diǎn)所必須穿越的一系列多相界面擴(kuò)散障礙，其中氣液界面（特別是液膜）的擴(kuò)散限制是工業(yè)發(fā)酵中需要著力攻克的核心瓶頸。

       在好氧發(fā)酵中，給微生物通氣供氧過程是氣相中的氧分子首先溶解在發(fā)酵液中，然后再傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置而被利用。這一系列的氧傳遞過程，又可分為供氧與需氧兩個方面。

       供氧是指空氣中的氧氣從空氣泡里通過氣膜、氣 - 液界面和液膜擴(kuò)散到液體主流中。

       需氧是指溶解于液體主流中的氧分子自液體主流通過液膜、液 - 固界面、菌絲叢或細(xì)胞團(tuán)，再由單個細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)需氧反應(yīng)的位置。可見，氧在傳遞過程中必須克服一系列的阻力，才能到達(dá)反應(yīng)部位，被微生物細(xì)胞所利用。這些阻力主要包括如下幾種（如圖）。

氧從氣泡到細(xì)胞的傳遞過程示意圖

（1）氣膜傳遞阻力 1/kLc

      指氣體主流及氣 - 液界面以內(nèi)的氣膜傳遞阻力，與通氣狀況有關(guān)，通常相對較小。氣膜傳遞阻力的影響因素主要有像通氣速率、氣泡大小、氣流分布等。通氣越充分、氣泡越小、氣流越湍動，氣膜越薄，阻力越小。

       工業(yè)上常通過提高通氣速率；使用高效氣體分布裝置；通過攪拌使氣泡更小、更分散，增強(qiáng)氣液接觸。來降低氣膜阻力。

（2）氣 - 液界面?zhèn)鬟f阻力 1/kI

       只有具備高能量的氧分子才能透到液相中去，而其余的則返回氣相。其不是物理膜，而是分子能量壁壘。只有動能足夠高的氧分子才能“擠”進(jìn)液相。它與物質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)，工程上難以直接干預(yù)。

（3）液膜傳遞阻力 1/kL

     指從氣 - 液界面至液體主流間的液膜阻力，與發(fā)酵液成分及其濃度有關(guān)。是緊貼氣-液界面的一層液體薄膜產(chǎn)生的阻力，是供氧過程中最關(guān)鍵、最主要的阻力之一。

     其特點(diǎn)是受發(fā)酵液成分（粘度、表面活性劑）影響很大。強(qiáng)化攪拌是降低此阻力的核心手段，它能打碎氣泡、減小液膜厚度。

（4）液相主體傳遞阻力 1/kLB 

       該阻力也與發(fā)酵液成分及其濃度有關(guān)，一般認(rèn)為，在有適當(dāng)攪拌存在的情況下，液體主流中溶解氧濃度分布均勻、保持不變，表明溶解氧在液體主體中擴(kuò)散很快，因而該阻力很小。在正常工業(yè)發(fā)酵過程中?？珊雎浴?nbsp;

（5）細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面的液膜阻力 1/kLC

       指從液相至液 - 固界面間的液膜阻力，該阻力也主要與發(fā)酵液成分及其濃度有關(guān)。包圍在細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外圍的一層液體邊界層。也與發(fā)酵液粘度和細(xì)胞表面特性有關(guān)。提高攪拌速率可以減薄此層，促進(jìn)傳遞。 

（6）液 - 固界面?zhèn)鬟f阻力 1/ks

       液 - 固界面的固相是指細(xì)胞團(tuán)表面，該阻力與發(fā)酵液的特性以及微生物的生理特性有關(guān)。 

（7）細(xì)胞團(tuán)內(nèi)的傳遞阻力 1/kA

       氧氣在菌絲團(tuán)或細(xì)胞聚集體內(nèi)部擴(kuò)散的阻力。對細(xì)菌、酵母等單細(xì)胞不存在；對絲狀菌（如霉菌、放線菌） 是主要限制之一。該阻力與微生物的種類及其細(xì)胞生理特性有關(guān)，屬于單細(xì)胞的細(xì)菌和酵母不存在這種阻力，對于菌絲來講，這種阻力最為突出。 

       菌絲團(tuán)越大、越密實(shí)，內(nèi)部細(xì)胞越容易缺氧。通過優(yōu)化菌種（選擇疏松菌絲形態(tài)）和培養(yǎng)條件來緩解。

（8）細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的阻力 1/kw

       氧氣穿過細(xì)胞外結(jié)構(gòu)（壁、膜）進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的阻力。該阻力與微生物的生理特性有關(guān)，通常較小。

（9）細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力 1/kR

       是指氧分子參與細(xì)胞內(nèi)呼吸酶系反應(yīng)時所遇到的阻力，與微生物的種類及生理特性有關(guān)。本質(zhì)是酶反應(yīng)動力學(xué)限制，取決于微生物的代謝活性和酶濃度。

       從氧的溶解和利用過程可知，供氧方面的主要阻力來自氣膜和液膜阻力，所以，工業(yè)上常將通入培養(yǎng)液的空氣分散成細(xì)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(jìn)氧的溶解；同時，通過攪拌等措施盡可能減小液膜厚度來降低供氧方面的阻力。

      微生物耗氧方面的阻力主要來自細(xì)胞團(tuán)內(nèi)與細(xì)胞膜的阻力，采用攪拌也可以減少逆向擴(kuò)散的梯度，因此，也可以降低這方面的耗氧阻力。發(fā)酵工業(yè)實(shí)踐過程中，更多的是考慮如何最大限度降低供氧阻力，從而提高供氧能力。

       這些阻力從設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝調(diào)控到菌種選擇等維度，深度塑造了工業(yè)發(fā)酵系統(tǒng)的構(gòu)建邏輯：供氧側(cè)的液膜阻力是核心瓶頸，直接推動了發(fā)酵罐的高效化配置——比如配備強(qiáng)剪切攪拌槳以破碎氣泡、減小液膜厚度，搭配高徑比優(yōu)化的罐體與高效空氣分布器，來最大化氣液接觸面積；氣膜阻力則要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的通氣策略，通過控制空氣流量、采用小孔徑分布器生成微氣泡來降低阻礙。

      而耗氧側(cè)的細(xì)胞團(tuán)內(nèi)阻力對絲狀菌發(fā)酵影響突出，既需要在菌種選育時優(yōu)先選擇分散性好的菌株，也需要配套工藝調(diào)控手段，比如通過攪拌剪切強(qiáng)度、補(bǔ)料節(jié)奏來控制菌絲長度與結(jié)團(tuán)程度；發(fā)酵液的粘度變化等性質(zhì)還會影響多環(huán)節(jié)阻力，因此系統(tǒng)需配備流加裝置、消泡劑添加模塊，同時采用耐高粘度的攪拌設(shè)計(jì)，確保全程溶氧穩(wěn)定。

        工業(yè)好氧發(fā)酵系統(tǒng)的構(gòu)建，是圍繞“高效攻破氧傳遞阻力”搭建的工程平臺：供氧側(cè)依賴攪拌與通氣系統(tǒng)的強(qiáng)化組合，從硬件層面直接削弱液膜、氣膜的阻礙；耗氧側(cè)則通過菌種特性與工藝參數(shù)的協(xié)同適配，軟性緩解細(xì)胞團(tuán)、發(fā)酵液性質(zhì)帶來的限制。

       對氧傳遞途徑與多層阻力的認(rèn)知，是串聯(lián)起發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、核心設(shè)備選型、動態(tài)工藝調(diào)控（如溶氧聯(lián)動攪拌/通氣）的根本理論錨點(diǎn)——這些環(huán)節(jié)的協(xié)同優(yōu)化，不僅決定了發(fā)酵過程中溶氧的供應(yīng)效率，更直接關(guān)聯(lián)著生產(chǎn)能耗成本的控制、菌體生長的穩(wěn)定性，最終影響產(chǎn)物的產(chǎn)量與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。