生物发酵罐通气（曝气）的主要目的是什么？

通气（曝气）在发酵过程中的主要目的可概括为以下核心功能，结合不同发酵类型（好氧/厌氧）呈现差异化作用：  

一、核心功能解析

1. 供氧（好氧发酵的核心需求）  

  - 目标：为好氧微生物（如酵母、抗生素产生菌）提供代谢所需氧气，维持其呼吸链活性及能量代谢（如葡萄糖氧化生成ATP）。  

  - 机制：通过通气使氧气溶解于发酵液中，形成溶解氧（DO），供菌体通过细胞膜摄取。例如，青霉素发酵中需维持DO浓度不低于临界值（通常10%~30%空气饱和度），否则合成路径会被抑制。  

  - 关键参数：通气量（单位体积发酵液的空气流量，如 \(vvm=1\) 表示每分钟通入1倍发酵液体积的空气）与溶氧系数（\(k_La\)）直接影响供氧效率。  

2. 移除代谢副产物  

  - 排出CO₂：微生物有氧呼吸产生的CO₂若积累会导致发酵液pH下降（与水结合生成碳酸），并抑制菌体生长。通气可通过气液传质将CO₂带出罐体，维持pH稳定（如柠檬酸发酵需控制CO₂分压＜0.05 atm）。  

  - 挥发VOCs（挥发性有机物）：部分发酵过程产生乙醇、丙酮、丁醇等挥发性代谢物，通气可通过“气提效应”将其移除，避免产物抑制（如丙酮丁醇发酵中，通气可提升产物得率10%~20%）。  

3. 维持罐内压力与流体混合  

  - 压力控制：通气可通过调节进气流量与排气阀开度，维持罐体微正压（如0.05~0.1 MPa），防止外界杂菌侵入（尤其适用于好氧发酵的封闭式罐体），同时提高氧气溶解度（亨利定律：压力升高，气体溶解度增加）。  

  - 辅助混合：气泡上升过程中产生的浮力驱动液体对流，可增强发酵液的宏观混合（尤其在低搅拌转速下），减少固体颗粒（如菌体、培养基颗粒）沉降，与机械搅拌形成协同效应。  

二、不同发酵类型的通气差异

（一）

好氧发酵

通气核心目的：供氧为主，兼顾排CO₂、控压

典型场景：抗生素（青霉素）、酶制剂（淀粉酶）发酵

通气控制要点：高通气量（\(vvm=0.5~2\)），需配合搅拌强化溶氧

（二）

兼性厌氧发酵

通气核心目的：初期通气供氧促进菌体增殖，后期停气诱导厌氧代谢

典型场景：乙醇发酵（酵母先有氧增殖，后无氧产酒）

通气控制要点：分段控制：对数生长期通气，稳定期断气

（三）

厌氧发酵

通气核心目的：通常无需主动通气，但需控制罐内无氧环境

典型场景：沼气发酵、乳酸发酵

通气控制要点：通气目的为排空气（灭菌后用氮气置换），发酵中保持密封

三、通气与其他工艺的协同作用

1. 与搅拌的耦合  

  - 好氧发酵中，通气需与搅拌协同提升溶氧效率：搅拌打碎气泡形成细小气液界面（增大传质面积），通气则持续补充氧气。两者配合不当会导致“气泛”（气泡沿搅拌桨叶边缘逃逸，溶氧效率骤降），需通过功率准数（\(N_P\)）与通气准数（\(N_Q\)）关联模型优化（如 \(N_P/N_Q^2\) 比值维持在特定区间）。  

2. 对产物合成的影响  

  - 通气量过高可能导致：  

    - 剪切力过大损伤菌丝体（如青霉菌发酵）；  

    - 挥发性产物（如乙醇）过度挥发损失；  

  - 通气量不足则引发：  

    - 好氧菌转向厌氧代谢，生成副产物（如大肠杆菌发酵中缺氧会产乙酸）；  

    - CO₂积累抑制酶活性（如谷氨酸发酵中pH下降影响转氨酶功能）。  

四、工程优化方向

1. 通气设备升级  

  - 使用微孔曝气器（孔径＜100 μm）替代传统单孔喷嘴，增加气泡比表面积，提升溶氧效率（\(k_La\) 可提高30%~50%）；  

  - 采用自吸式搅拌桨（如空心涡轮桨），利用搅拌产生的负压吸入空气，无需额外空压机，降低能耗（适用于中小型发酵罐）。  

2. 气体组分调控  

  - 纯氧通气：在高耗氧场景（如动物细胞培养）中，通入纯氧可提高溶氧浓度，但需警惕氧毒性（如自由基损伤菌体）；  

  - 氮气/二氧化碳混合气：用于调节罐内气相分压，如维持厌氧环境或控制pH（通过CO₂分压）。  

3. 智能化控制  

  - 基于溶氧电极在线反馈，通过PID控制器动态调整通气量与搅拌转速，实现“按需供氧”（如当DO低于设定值时，自动增大通气量），可减少30%以上的无效通气能耗。  

通气（曝气）绝非简单的“鼓风”操作，而是发酵工程中平衡微生物代谢需求与工程效率的核心环节。其设计需围绕“精准供氧、高效传质、节能控耗”目标，结合菌体特性、产物合成路径及设备性能，实现从“粗放通气”到“智能气体管理”的升级，最终服务于发酵产率与经济性的双重提升。