生物發(fā)酵罐通氣（曝氣）的主要目的是什么？

通氣（曝氣）在發(fā)酵過程中的主要目的可概括為以下核心功能，結(jié)合不同發(fā)酵類型（好氧/厭氧）呈現(xiàn)差異化作用：  

一、核心功能解析

1. 供氧（好氧發(fā)酵的核心需求）  

  - 目標(biāo)：為好氧微生物（如酵母、抗生素產(chǎn)生菌）提供代謝所需氧氣，維持其呼吸鏈活性及能量代謝（如葡萄糖氧化生成ATP）。  

  - 機(jī)制：通過通氣使氧氣溶解于發(fā)酵液中，形成溶解氧（DO），供菌體通過細(xì)胞膜攝取。例如，青霉素發(fā)酵中需維持DO濃度不低于臨界值（通常10%~30%空氣飽和度），否則合成路徑會(huì)被抑制。  

  - 關(guān)鍵參數(shù)：通氣量（單位體積發(fā)酵液的空氣流量，如 \(vvm=1\) 表示每分鐘通入1倍發(fā)酵液體積的空氣）與溶氧系數(shù)（\(k_La\)）直接影響供氧效率。  

2. 移除代謝副產(chǎn)物  

  - 排出CO?：微生物有氧呼吸產(chǎn)生的CO?若積累會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵液pH下降（與水結(jié)合生成碳酸），并抑制菌體生長。通氣可通過氣液傳質(zhì)將CO?帶出罐體，維持pH穩(wěn)定（如檸檬酸發(fā)酵需控制CO?分壓＜0.05 atm）。  

  - 揮發(fā)VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）：部分發(fā)酵過程產(chǎn)生乙醇、丙酮、丁醇等揮發(fā)性代謝物，通氣可通過“氣提效應(yīng)”將其移除，避免產(chǎn)物抑制（如丙酮丁醇發(fā)酵中，通氣可提升產(chǎn)物得率10%~20%）。  

3. 維持罐內(nèi)壓力與流體混合  

  - 壓力控制：通氣可通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量與排氣閥開度，維持罐體微正壓（如0.05~0.1 MPa），防止外界雜菌侵入（尤其適用于好氧發(fā)酵的封閉式罐體），同時(shí)提高氧氣溶解度（亨利定律：壓力升高，氣體溶解度增加）。  

  - 輔助混合：氣泡上升過程中產(chǎn)生的浮力驅(qū)動(dòng)液體對流，可增強(qiáng)發(fā)酵液的宏觀混合（尤其在低攪拌轉(zhuǎn)速下），減少固體顆粒（如菌體、培養(yǎng)基顆粒）沉降，與機(jī)械攪拌形成協(xié)同效應(yīng)。  

二、不同發(fā)酵類型的通氣差異

（一）

好氧發(fā)酵

通氣核心目的：供氧為主，兼顧排CO?、控壓

典型場景：抗生素（青霉素）、酶制劑（淀粉酶）發(fā)酵

通氣控制要點(diǎn)：高通氣量（\(vvm=0.5~2\)），需配合攪拌強(qiáng)化溶氧

（二）

兼性厭氧發(fā)酵

通氣核心目的：初期通氣供氧促進(jìn)菌體增殖，后期停氣誘導(dǎo)厭氧代謝

典型場景：乙醇發(fā)酵（酵母先有氧增殖，后無氧產(chǎn)酒）

通氣控制要點(diǎn)：分段控制：對數(shù)生長期通氣，穩(wěn)定期斷氣

（三）

厭氧發(fā)酵

通氣核心目的：通常無需主動(dòng)通氣，但需控制罐內(nèi)無氧環(huán)境

典型場景：沼氣發(fā)酵、乳酸發(fā)酵

通氣控制要點(diǎn)：通氣目的為排空氣（滅菌后用氮?dú)庵脫Q），發(fā)酵中保持密封

三、通氣與其他工藝的協(xié)同作用

1. 與攪拌的耦合  

  - 好氧發(fā)酵中，通氣需與攪拌協(xié)同提升溶氧效率：攪拌打碎氣泡形成細(xì)小氣液界面（增大傳質(zhì)面積），通氣則持續(xù)補(bǔ)充氧氣。兩者配合不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致“氣泛”（氣泡沿?cái)嚢铇~邊緣逃逸，溶氧效率驟降），需通過功率準(zhǔn)數(shù)（\(N_P\)）與通氣準(zhǔn)數(shù)（\(N_Q\)）關(guān)聯(lián)模型優(yōu)化（如 \(N_P/N_Q^2\) 比值維持在特定區(qū)間）。  

2. 對產(chǎn)物合成的影響  

  - 通氣量過高可能導(dǎo)致：  

    - 剪切力過大損傷菌絲體（如青霉菌發(fā)酵）；  

    - 揮發(fā)性產(chǎn)物（如乙醇）過度揮發(fā)損失；  

  - 通氣量不足則引發(fā)：  

    - 好氧菌轉(zhuǎn)向厭氧代謝，生成副產(chǎn)物（如大腸桿菌發(fā)酵中缺氧會(huì)產(chǎn)乙酸）；  

    - CO?積累抑制酶活性（如谷氨酸發(fā)酵中pH下降影響轉(zhuǎn)氨酶功能）。  

四、工程優(yōu)化方向

1. 通氣設(shè)備升級  

  - 使用微孔曝氣器（孔徑＜100 μm）替代傳統(tǒng)單孔噴嘴，增加氣泡比表面積，提升溶氧效率（\(k_La\) 可提高30%~50%）；  

  - 采用自吸式攪拌槳（如空心渦輪槳），利用攪拌產(chǎn)生的負(fù)壓吸入空氣，無需額外空壓機(jī)，降低能耗（適用于中小型發(fā)酵罐）。  

2. 氣體組分調(diào)控  

  - 純氧通氣：在高耗氧場景（如動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)）中，通入純氧可提高溶氧濃度，但需警惕氧毒性（如自由基損傷菌體）；  

  - 氮?dú)?/span>/二氧化碳混合氣：用于調(diào)節(jié)罐內(nèi)氣相分壓，如維持厭氧環(huán)境或控制pH（通過CO?分壓）。  

3. 智能化控制  

  - 基于溶氧電極在線反饋，通過PID控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整通氣量與攪拌轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)“按需供氧”（如當(dāng)DO低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)增大通氣量），可減少30%以上的無效通氣能耗。  

通氣（曝氣）絕非簡單的“鼓風(fēng)”操作，而是發(fā)酵工程中平衡微生物代謝需求與工程效率的核心環(huán)節(jié)。其設(shè)計(jì)需圍繞“精準(zhǔn)供氧、高效傳質(zhì)、節(jié)能控耗”目標(biāo)，結(jié)合菌體特性、產(chǎn)物合成路徑及設(shè)備性能，實(shí)現(xiàn)從“粗放通氣”到“智能氣體管理”的升級，最終服務(wù)于發(fā)酵產(chǎn)率與經(jīng)濟(jì)性的雙重提升。