工業(yè)發(fā)酵中的氧傳遞動(dòng)力學(xué)：如何理解與優(yōu)化推動(dòng)力？
推動(dòng)力是驅(qū)動(dòng)氧氣從氣相溶解到液相的化學(xué)勢(shì)差，在工程上直接表現(xiàn)為可測(cè)量、可調(diào)控的飽和濃度與實(shí)際濃度之差。
什么是氧氣傳遞的“推動(dòng)力”？
我們可以把“推動(dòng)力”理解為氧氣溶解的“趨勢(shì)”或“動(dòng)力”。它本質(zhì)上取決于發(fā)酵液中氧氣當(dāng)前的實(shí)際濃度與在當(dāng)前條件下氧氣能達(dá)到的最大溶解度（飽和濃度）之間的差值。
根據(jù)氣液傳遞速率方程：
OTR = KLa(C*? CL)
OTR（氧氣傳遞速率）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，溶解到發(fā)酵液中的氧氣量（比如 mol/(m3·h)）。
KLa是“體積傳氧系數(shù)”，它是發(fā)酵工程中衡量一個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)供氧能力的核心性能指標(biāo)。
C* 代表在當(dāng)前位置和條件下，氧氣在發(fā)酵液中的飽和溶解度（即理論上能達(dá)到的最大濃度）。
CL 代表發(fā)酵液中氧氣當(dāng)前的實(shí)際濃度。
推動(dòng)力就是這兩者的差值：(C* - CL)。“推動(dòng)力（C* - C_L）”這個(gè)概念，是經(jīng)典傳質(zhì)理論——“雙膜理論”——中的關(guān)鍵組成部分。該理論將復(fù)雜的氣液界面簡(jiǎn)化為兩層靜止的膜（氣膜和液膜），氧氣必須通過(guò)擴(kuò)散穿越它們。在這個(gè)模型中，濃度差被明確認(rèn)定為驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散穿越這兩層膜的唯一天然動(dòng)力，就像電壓是驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電阻的動(dòng)力一樣。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果發(fā)酵液中氧氣很少，而理論上還能溶解很多，那么推動(dòng)力就大，氧氣會(huì)快速進(jìn)入液體；如果發(fā)酵液中的氧氣已經(jīng)接近飽和，推動(dòng)力就小，氧氣傳遞緩慢。
因此，推動(dòng)力不是一個(gè)固定的數(shù)值，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的驅(qū)動(dòng)力，受多種工藝條件共同影響。以下主要分享一下這些因素的具體影響，幫助理解發(fā)酵供氧過(guò)程：
1. 溫度
溫度對(duì)氧氣的溶解度影響顯著。隨著溫度升高，氧氣在水中的溶解度逐漸下降（如下圖）。這意味著，在高溫發(fā)酵條件下，氧氣更難溶解，推動(dòng)力自然減弱。
在實(shí)際生產(chǎn)中，需在菌體最適生長(zhǎng)溫度和氧氣溶解最佳溫度之間找到平衡。例如某些細(xì)菌發(fā)酵在較高溫度下進(jìn)行，此時(shí)需特別注意強(qiáng)化供氧措施。
2.發(fā)酵液成分
發(fā)酵液中通常含有多種成分，主要分為電解質(zhì)和非電解質(zhì)：
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，故氧傳遞的推動(dòng)力隨著發(fā)酵液中電解質(zhì)濃度的增加而下降。如鹽類(lèi)、離子物質(zhì)，會(huì)通過(guò)“鹽析效應(yīng)”排斥氧氣分子，降低其溶解度；
在非電解質(zhì)溶液中，氧的溶解度一般也隨著溶質(zhì)濃度的增加而下降，其變化規(guī)律與在電解質(zhì)溶液中的變化情況相似。如糖類(lèi)、有機(jī)酸等，同樣會(huì)占據(jù)溶液空間，減少氧氣溶解量；
混合體系：實(shí)際發(fā)酵液往往是電解質(zhì)與非電解質(zhì)的混合體，兩者的影響疊加，進(jìn)一步削弱推動(dòng)力。
雖然水是發(fā)酵中最常用的溶劑，但氧氣在某些有機(jī)溶劑（如醇類(lèi)、酯類(lèi)）中的溶解度更高。因此，在某些特殊發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)添加適宜的有機(jī)溶劑來(lái)調(diào)節(jié)體系極性，可成為提高溶解氧濃度的有效手段。溶劑是可設(shè)計(jì)的工藝變量，而不僅僅是反應(yīng)的介質(zhì)。
3.氧分壓
提高氧氣在氣相中的分壓，能直接增強(qiáng)推動(dòng)力。主要有兩種方式：
1. 提高罐壓
通過(guò)增加發(fā)酵罐總壓力，間接提高氧分壓。這種方法操作簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于抗生素、氨基酸等發(fā)酵過(guò)程中。但需注意，過(guò)高的壓力也會(huì)增加二氧化碳溶解，可能抑制菌體代謝。
2. 富氧通氣
在進(jìn)氣中摻入純氧，直接提高氧氣濃度。這種方法推動(dòng)力提升明顯，但成本較高，常用于高耗氧的發(fā)酵類(lèi)型或關(guān)鍵生長(zhǎng)階段。
氧氣傳遞的推動(dòng)力，是一個(gè)為了描述和理解復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程而構(gòu)建的科學(xué)概念模型，雖是看不見(jiàn)、摸不著的概念，卻實(shí)實(shí)在在地影響著發(fā)酵過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)。
在工業(yè)發(fā)酵中，氧氣傳遞的推動(dòng)力是連接工藝條件與微生物代謝的關(guān)鍵紐帶，其大小由溫度、發(fā)酵液成分、氧分壓三大因素決定，直接影響發(fā)酵效率、過(guò)程穩(wěn)定性與生產(chǎn)成本——推動(dòng)力不足會(huì)限制供氧、減緩微生物代謝，而合理調(diào)控它能在不顯著增加能耗的前提下提升氧傳遞效率。
理解并調(diào)控這些影響因素，不僅是解決發(fā)酵“缺氧”問(wèn)題的技術(shù)手段，更是推動(dòng)工藝從粗放經(jīng)驗(yàn)走向精細(xì)化、智能化控制的核心。掌控推動(dòng)力，本質(zhì)是為微生物營(yíng)造適宜“呼吸”環(huán)境，最終賦能高效、穩(wěn)定、可持續(xù)的現(xiàn)代發(fā)酵生產(chǎn)。
