发酵罐通气量如何调节？vvm计算方法及空气流量对DO影响分析

在好氧发酵过程中，发酵罐通气量是影响溶氧（DO）水平和氧传递效率的重要工艺参数。

很多用户在使用5L、10L实验室发酵罐以及50L中试发酵罐时会遇到：

为什么增加空气流量后，DO仍然下降？

为什么通气量提高后，泡沫明显增加？

为什么实验室培养正常，放大到中试阶段却出现供氧不足？

这些问题不仅与通气量有关，还受到搅拌系统、培养液性质以及氧传递能力（KLa）的共同影响。

合理的发酵罐空气流量控制，需要结合培养阶段、菌体耗氧情况以及设备传质能力进行调整。

一、发酵罐通气量为什么影响DO？

在发酵过程中，空气通过进气系统进入培养液，形成气泡，氧气需要经过气液传递后才能被微生物利用。

整个过程包括：

空气进入 → 气泡分散 → 氧气溶解 → 细胞吸收

通气量主要影响：

1、进入发酵系统的氧气供应量

2、气液接触面积

3、氧传递效率（KLa）

对于大肠杆菌、酵母等高耗氧培养体系，如果氧供应无法满足细胞需求，就容易出现：

1、DO下降

2、菌体生长速度降低

3、发酵周期延长

4、产物浓度下降

从工程角度看，发酵过程中的氧供应通常可以理解为：

氧传递速率（OTR）需要满足氧消耗速率（OUR）。

当：

OTR < OUR

时，培养体系无法获得足够氧气，DO就会逐渐降低。

二、vvm是什么意思？发酵罐通气量如何计算？

在发酵工艺中，通气量通常使用vvm表示。

vvm（volume per volume per minute）表示：

每分钟进入发酵罐的空气体积与培养液体积的比值。

计算公式：

vvm = 空气流量（L/min）÷ 培养液体积（L）

例如：

一个5L玻璃发酵罐，实际装液量为3L。

如果空气流量设置为1.5L/min：

vvm = 1.5 ÷ 3 = 0.5 vvm

表示每分钟通入相当于培养液50%的空气量。

实验室发酵罐通常通过转子流量计或质量流量控制器（MFC）实现空气流量控制，使不同培养阶段保持稳定供氧。

三、不同规模发酵罐常用通气范围

不同设备由于：

1、搅拌结构

2、叶轮形式

3、罐体比例

4、氧传递能力

存在差异，因此相同vvm条件下，最终DO表现也可能不同。

实际运行过程中，需要结合：

1、微生物耗氧速率（OUR）

2、培养液黏度

3、搅拌能力

4、设备KLa水平

进行综合调整。

四、提高通气量为什么能够提高DO？

增加空气流量后：

1、气泡数量增加

2、气液接触面积扩大

3、氧气进入培养液速度提高

因此通常能够提升DO水平。

但是，通气量并不是越大越好。

实际项目中经常遇到：

为了提高DO不断增加空气流量，但最终发现泡沫增加，而发酵效果改善并不明显。

原因在于：

氧传递不仅取决于空气供应，还受到：

1、搅拌强度

2、气泡停留时间

3、发酵液状态

等因素影响。

如果搅拌无法有效分散气泡，提高空气流量带来的氧传递提升会非常有限。

五、发酵罐通气量过大会出现哪些问题？

1. 泡沫增加

通气量过高会导致：

1、气泡数量增加

2、液面扰动增强

3、泡沫层升高

可能造成：

1、DO电极、pH电极表面附着气泡

2、消泡剂使用增加

3、发酵环境波动

2. 氧利用率降低

空气进入过快时，气泡可能快速离开发酵液。

部分氧气还未充分溶解，就随尾气排出。

结果可能导致：

1、空气消耗增加

2、氧利用效率降低

3、DO提升效果有限

3. 影响培养稳定性

过大的通气量可能影响：

1、CO?释放

2、pH变化趋势

3、细胞代谢状态

因此，通气量需要根据发酵阶段动态调整。

六、为什么增加通气量后DO仍然下降？

实际发酵过程中，经常会出现：

“空气已经开大，但DO还是下降。”

主要原因包括：

1. 菌体浓度增加

随着发酵进行：

细胞数量增加 → OUR提高 → 氧需求增加。

当氧传递能力无法同步提升时，DO会持续下降。

2. 搅拌能力不足

通气和搅拌需要协同作用。

如果搅拌不足：

1、气泡无法充分分散

2、气液传质效率降低

即使增加空气流量，DO改善也有限。

3. 发酵液黏度变化

部分发酵体系后期黏度增加，会降低：

1、混合效率

2、氧扩散能力

导致DO下降。

七、5L、10L、50L发酵罐通气量如何优化？

5L实验室发酵罐

主要用于：

1、菌种筛选

2、工艺条件优化

3、实验验证

重点关注：

1、空气流量调节范围

2、DO响应速度

3、搅拌与通气匹配

10L实验室发酵罐

10L设备通常用于工艺开发阶段。

相比5L设备，需要关注：

1、参数重复性

2、氧传递能力

3、放大参考价值

50L中试发酵罐

50L属于实验室向生产过渡的重要阶段。

放大过程中不能简单按照体积比例增加空气流量，需要综合考虑：

1、KLa变化

2、搅拌功率

3、OUR变化

4、混合时间

否则容易出现：

小试DO正常，中试供氧不足。

八、DO控制需要通气、搅拌和检测系统联动

现代实验室发酵罐通常采用DO级联控制方式。

当DO低于设定值时，控制系统可以根据工艺需求自动调整：

1. 搅拌速度
2. 通气量
3. 其他供氧参数

通过多参数协同，提高发酵过程稳定性。

因此，5L-50L玻璃发酵罐以及不锈钢中试发酵系统，不仅需要精准空气流量控制，还需要结合：

1、DO在线检测

2、pH控制

3、搅拌控制

形成完整的过程控制方案。

九、工程案例：优化通气改善DO控制

某实验室使用5L玻璃发酵罐进行高密度菌培养。

发酵前期：

1、搅拌：400 rpm

2、通气：0.5 vvmDO保持稳定

进入发酵中后期后，由于菌体浓度增加，OUR提高，DO下降至30%左右。

通过调整：

1、提高搅拌速度

2、增加通气量至1.0 vvm

DO恢复稳定，发酵过程得到改善。

该案例说明：DO控制不是单独依靠增加空气完成，而需要：搅拌 + 通气 + 在线DO检测共同实现。

总结

发酵罐通气量是影响氧传递和DO控制的重要参数。

合理提高空气流量，可以改善氧供应；但过大的通气量可能导致泡沫增加、氧利用率下降等问题。

对于5L、10L实验室发酵罐以及50L中试发酵罐，通气系统需要与搅拌系统、DO检测和自动控制系统进行整体匹配。

合理的发酵罐空气流量控制，不仅能够提高实验重复性，也能够降低从实验室到中试放大的风险。