生(sheng)物發酵罐通(tong)氣(qi)（曝(pu)氣）的主要目(mu)的是什麽(me)？

通(tong)氣(qi)（曝(pu)氣）在(zai)發(fa)酵(jiao)過(guo)程中的主要目(mu)的可概括(kuo)為以(yi)下核心功能，結(jie)合不同(tong)發酵(jiao)類(lei)型(xing)（好氧/厭氧(yang)）呈(cheng)現差異化作用(yong)：  

壹(yi)、核心功能解析(xi)

1. 供氧(yang)（好氧發(fa)酵(jiao)的核心需(xu)求(qiu)）  

  - 目(mu)標(biao)：為好氧微(wei)生(sheng)物（如酵母、抗生(sheng)素(su)產生(sheng)菌）提(ti)供代謝所需(xu)氧(yang)氣(qi)，維(wei)持(chi)其呼(hu)吸鏈活(huo)性(xing)及能量代謝（如葡(pu)萄(tao)糖氧化生(sheng)成(cheng)ATP）。  

  - 機制(zhi)：通(tong)過(guo)通(tong)氣(qi)使(shi)氧(yang)氣(qi)溶解於(yu)發酵(jiao)液(ye)中，形(xing)成(cheng)溶解氧(yang)（DO），供菌體(ti)通(tong)過(guo)細(xi)胞膜(mo)攝(she)取(qu)。例(li)如，青黴素(su)發酵中需(xu)維(wei)持(chi)DO濃度(du)不(bu)低於(yu)臨(lin)界(jie)值(zhi)（通(tong)常(chang)10%~30%空氣(qi)飽和(he)度），否(fou)則(ze)合成(cheng)路徑會(hui)被抑(yi)制(zhi)。  

  - 關(guan)鍵(jian)參(can)數：通(tong)氣(qi)量(liang)（單(dan)位體(ti)積發酵液(ye)的空氣流(liu)量(liang)，如 \(vvm=1\) 表示每(mei)分(fen)鐘通(tong)入(ru)1倍發(fa)酵液(ye)體積的空氣）與溶氧系數（\(k_La\)）直接影響(xiang)供氧(yang)效(xiao)率(lv)。  

2. 移(yi)除(chu)代謝副產(chan)物  

  - 排出(chu)CO₂：微(wei)生(sheng)物有(you)氧(yang)呼(hu)吸(xi)產(chan)生(sheng)的CO₂若(ruo)積(ji)累會導致(zhi)發(fa)酵液(ye)pH下(xia)降（與水(shui)結(jie)合生(sheng)成(cheng)碳酸），並抑(yi)制(zhi)菌體(ti)生(sheng)長(chang)。通(tong)氣(qi)可(ke)通(tong)過(guo)氣(qi)液(ye)傳質(zhi)將CO₂帶出(chu)罐(guan)體(ti)，維(wei)持(chi)pH穩定(ding)（如檸(ning)檬(meng)酸發酵(jiao)需(xu)控制(zhi)CO₂分(fen)壓＜0.05 atm）。  

  - 揮(hui)發VOCs（揮(hui)發性(xing)有(you)機物）：部(bu)分(fen)發酵(jiao)過程(cheng)產生(sheng)乙醇(chun)、丙(bing)酮(tong)、丁(ding)醇(chun)等揮(hui)發性(xing)代謝物，通(tong)氣(qi)可(ke)通(tong)過(guo)“氣(qi)提效(xiao)應”將其(qi)移(yi)除(chu)，避免產(chan)物抑(yi)制(zhi)（如丙(bing)酮(tong)丁(ding)醇(chun)發酵中(zhong)，通(tong)氣(qi)可(ke)提升(sheng)產(chan)物得率10%~20%）。  

3. 維(wei)持(chi)罐內(nei)壓力(li)與流(liu)體(ti)混(hun)合  

  - 壓(ya)力(li)控制(zhi)：通(tong)氣(qi)可(ke)通(tong)過(guo)調節進氣流(liu)量(liang)與排氣(qi)閥(fa)開(kai)度(du)，維(wei)持(chi)罐體(ti)微正(zheng)壓（如0.05~0.1 MPa），防(fang)止外界(jie)雜菌侵入（尤(you)其(qi)適用(yong)於(yu)好氧發(fa)酵(jiao)的封閉(bi)式(shi)罐體(ti)），同(tong)時(shi)提高氧(yang)氣(qi)溶解度(du)（亨利定(ding)律：壓力升(sheng)高，氣(qi)體(ti)溶解度(du)增(zeng)加(jia)）。  

  - 輔助(zhu)混(hun)合：氣泡(pao)上升(sheng)過(guo)程(cheng)中(zhong)產生(sheng)的浮力驅(qu)動(dong)液(ye)體對流(liu)，可(ke)增(zeng)強(qiang)發(fa)酵(jiao)液(ye)的宏觀混(hun)合（尤(you)其(qi)在(zai)低攪(jiao)拌轉速下），減(jian)少(shao)固(gu)體顆(ke)粒（如(ru)菌體(ti)、培(pei)養(yang)基(ji)顆(ke)粒(li)）沈(chen)降，與機械攪拌形(xing)成(cheng)協同(tong)效(xiao)應。  

二(er)、不同發(fa)酵類(lei)型(xing)的通(tong)氣(qi)差異

（壹(yi)）

好氧發(fa)酵(jiao)

通(tong)氣(qi)核心目(mu)的：供氧(yang)為主(zhu)，兼顧(gu)排CO₂、控壓

典(dian)型(xing)場(chang)景：抗生(sheng)素(su)（青黴素(su)）、酶制(zhi)劑（澱(dian)粉酶）發(fa)酵(jiao)

通(tong)氣(qi)控制(zhi)要點：高通(tong)氣(qi)量(liang)（\(vvm=0.5~2\)），需(xu)配(pei)合攪拌強化溶氧

（二(er)）

兼(jian)性(xing)厭氧(yang)發(fa)酵(jiao)

通(tong)氣(qi)核心目(mu)的：初(chu)期(qi)通(tong)氣(qi)供氧(yang)促(cu)進菌體(ti)增(zeng)殖(zhi)，後(hou)期(qi)停氣(qi)誘(you)導厭氧(yang)代謝

典型(xing)場(chang)景：乙醇(chun)發酵（酵(jiao)母先有(you)氧(yang)增(zeng)殖(zhi)，後(hou)無氧(yang)產酒）

通(tong)氣(qi)控制(zhi)要點：分(fen)段(duan)控制(zhi)：對數生(sheng)長(chang)期(qi)通(tong)氣(qi)，穩(wen)定(ding)期(qi)斷氣

（三）

厭氧(yang)發(fa)酵(jiao)

通(tong)氣(qi)核心目(mu)的：通(tong)常(chang)無(wu)需(xu)主(zhu)動(dong)通(tong)氣(qi)，但(dan)需(xu)控制(zhi)罐內無氧環(huan)境(jing)

典型(xing)場(chang)景：沼(zhao)氣發(fa)酵、乳(ru)酸發酵(jiao)

通(tong)氣(qi)控制(zhi)要點：通(tong)氣(qi)目(mu)的為排空(kong)氣(qi)（滅菌後(hou)用(yong)氮氣置換），發(fa)酵中保(bao)持(chi)密封

三、通(tong)氣(qi)與其(qi)他工藝的協同(tong)作用(yong)

1. 與攪(jiao)拌的耦合  

  - 好氧發(fa)酵(jiao)中，通(tong)氣(qi)需(xu)與攪(jiao)拌協同(tong)提升溶氧效(xiao)率(lv)：攪拌打碎氣泡形(xing)成(cheng)細小(xiao)氣液(ye)界(jie)面（增(zeng)大(da)傳(chuan)質(zhi)面積(ji)），通(tong)氣(qi)則(ze)持(chi)續補充氧氣(qi)。兩(liang)者(zhe)配(pei)合不當(dang)會導致(zhi)“氣(qi)泛(fan)”（氣泡沿(yan)攪(jiao)拌槳(jiang)葉(ye)邊(bian)緣逃(tao)逸，溶氧效(xiao)率(lv)驟降），需(xu)通(tong)過(guo)功率準數（\(N_P\)）與通(tong)氣(qi)準數（\(N_Q\)）關聯(lian)模(mo)型(xing)優(you)化（如(ru) \(N_P/N_Q^2\) 比(bi)值(zhi)維(wei)持(chi)在(zai)特定(ding)區(qu)間(jian)）。  

2. 對產物合成(cheng)的影響(xiang)  

  - 通(tong)氣(qi)量(liang)過高可(ke)能導致(zhi)：  

    - 剪切(qie)力(li)過大損傷(shang)菌絲(si)體（如(ru)青(qing)黴(mei)菌發(fa)酵(jiao)）；  

    - 揮(hui)發性(xing)產物（如乙醇(chun)）過度揮(hui)發損失；  

  - 通(tong)氣(qi)量(liang)不足(zu)則(ze)引(yin)發：  

    - 好氧菌轉(zhuan)向(xiang)厭氧(yang)代謝，生(sheng)成(cheng)副產(chan)物（如大腸桿菌發(fa)酵(jiao)中(zhong)缺氧會(hui)產(chan)乙酸）；  

    - CO₂積累抑(yi)制(zhi)酶活(huo)性(xing)（如谷(gu)氨酸發酵(jiao)中(zhong)pH下降(jiang)影響(xiang)轉氨酶功能）。  

四(si)、工程優(you)化方向

1. 通(tong)氣(qi)設(she)備(bei)升級  

  - 使(shi)用(yong)微(wei)孔(kong)曝(pu)氣(qi)器（孔(kong)徑＜100 μm）替(ti)代傳統(tong)單(dan)孔(kong)噴嘴(zui)，增(zeng)加(jia)氣(qi)泡比(bi)表面(mian)積(ji)，提升(sheng)溶氧效(xiao)率(lv)（\(k_La\) 可提高30%~50%）；  

  - 采用(yong)自(zi)吸式(shi)攪拌槳(jiang)（如(ru)空心(xin)渦輪(lun)槳(jiang)），利用(yong)攪(jiao)拌產生(sheng)的負壓吸入空(kong)氣(qi)，無(wu)需(xu)額外空(kong)壓機，降低能耗（適用(yong)於(yu)中小(xiao)型(xing)發酵罐）。  

2. 氣(qi)體組(zu)分(fen)調控  

  - 純(chun)氧(yang)通(tong)氣(qi)：在(zai)高耗(hao)氧(yang)場(chang)景（如動物細胞培(pei)養(yang)）中(zhong)，通(tong)入(ru)純(chun)氧可(ke)提(ti)高溶氧濃度(du)，但(dan)需(xu)警(jing)惕(ti)氧(yang)毒性(xing)（如自(zi)由基損傷(shang)菌體(ti)）；  

  - 氮氣/二(er)氧化碳混(hun)合氣：用(yong)於(yu)調節罐內(nei)氣(qi)相分(fen)壓，如(ru)維持(chi)厭氧(yang)環(huan)境(jing)或(huo)控制(zhi)pH（通(tong)過(guo)CO₂分(fen)壓）。  

3. 智能化控制(zhi)  

  - 基(ji)於(yu)溶氧電極(ji)在(zai)線(xian)反饋，通(tong)過(guo)PID控制(zhi)器動(dong)態(tai)調整通(tong)氣(qi)量(liang)與攪(jiao)拌轉速，實現“按需(xu)供氧(yang)”（如(ru)當(dang)DO低於(yu)設(she)定(ding)值(zhi)時(shi)，自(zi)動增(zeng)大(da)通(tong)氣(qi)量(liang)），可減(jian)少(shao)30%以(yi)上的無效(xiao)通(tong)氣(qi)能耗。  

通(tong)氣(qi)（曝(pu)氣）絕非(fei)簡(jian)單(dan)的“鼓風”操(cao)作，而(er)是(shi)發(fa)酵工(gong)程(cheng)中平(ping)衡(heng)微生(sheng)物代謝需(xu)求(qiu)與工(gong)程效(xiao)率(lv)的核心環(huan)節。其設(she)計(ji)需(xu)圍(wei)繞“精準供氧(yang)、高效(xiao)傳(chuan)質(zhi)、節能控耗”目(mu)標(biao)，結(jie)合菌體(ti)特性(xing)、產物合成(cheng)路徑及(ji)設(she)備(bei)性(xing)能，實現從“粗放通(tong)氣(qi)”到(dao)“智能氣體(ti)管(guan)理”的升級，最終(zhong)服(fu)務於(yu)發酵產率與經濟(ji)性(xing)的雙重提升。