搅拌与通气过犹不及

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1、搅拌和通气过犹不及在制药工业中，对于好氧的生物发酵生产，长期以来人们一直极其重视微生物菌种的开发和改良，而对生产设备方面重视得不够。但是，一些生产的成功事例表明，设备的改进在很大程度上可改善产品的质量，提高产量，起到上游生物工程技术无法实现的作用。    ■保证氧供给对醚醴⒔椭凉刂匾?br>在好氧的发酵生产过程中，氧的适度供给是保证菌种良好生长和代谢产物高产的必要条件。然而，在25℃和1×105帕时，空气中的氧在纯水中的溶解度仅为0.25摩尔/立方米。如果外界不能及时地供给氧，水中的溶解氧仅能维持发酵液中微生物菌体15~

2、20秒的正常呼吸，氧不足会造成代谢异常、产量降低。因此，需要不断地给发酵系统通入无菌空气，通过发酵罐的搅拌进一步分散，使发酵液中保持适度的溶解氧浓度(DO)。    发酵液中的溶解氧是供氧和需氧这一矛盾平衡的结果。通入发酵罐的气态氧必须先溶解于发酵液中，然后才能传递到细胞表面，再经过扩散进入到细胞内，参与菌体的一系列生化反应。氧从气泡传递到细胞内需要克服供氧方面和需氧方面的各种阻力才能完成。    对于好氧的发酵生产，主要应考虑如何通过供氧来提高溶解氧浓度。影响发酵过程中供氧的主要因素有推动力和容量传递系数(Kla)，所

3、以可以从提高氧传递推动力和容量传递系数来提高氧的传递速率，从而提高发酵液中的溶解氧浓度。同时，鉴于发酵液的氧传递比较复杂，如何合理地设计通气搅拌系统，使之既能保证足够的氧供应，又尽可能地节省能量，且不使微生物和代谢产物受到强剪切而失活，是好氧发酵生产过程的关键。    长期的生产实践证实，带有机械搅拌的通气培养装置，其搅拌器是影响发酵液中氧传递的重要因素。因此，长期以来，人们都只从加大通气量和搅拌转速这两方面来改善发酵液的溶解氧，提高发酵单位。在提高Kla上，搅拌器的作用有：使通入发酵液的空气分散成细小的气泡，并防止小气

4、泡的凝聚，从而增大气液相的接触面积，提高Kla；强化发酵液的湍流程度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的阻力，促进氧的传递；减少菌体结团，降低细胞周围的液膜阻力，促进菌体对氧的吸收。然而，虽然在一定限度的通气量范围内，Kla随通气量的增加而增大。但当超过一定限度时，大量气体会不经分散而直接穿过搅拌器以大气泡形态向上浮升，出现“气泛”现象，搅拌功率会大大下降，Kla也不再增加。因此，盲目增加通气量不一定就能增加溶氧，反而会增加空气过滤器的负担和染菌的可能搅拌功率也不是越大越好，过于激烈地搅拌会产生很大的剪切力，导致微生物菌种

5、和产物的失活。另外，搅拌功率过大，也会导致系统运行不经济，造成资源浪费。例如，在WB-1-2.5型4升发酵罐中进行黄原胶发酵生产，当通气量超过0.8vvm后，再增加通气量就不能使溶解氧浓度提高，只能通过提高搅拌转速来改善溶氧，提高产量。在7升全自动发酵罐中用产朊假丝酵母生产谷胱甘肽时，在一定的空气流量下，当搅拌转速低于250转/分时，供氧速率不能满足细胞生长要求；当搅拌转速高于300转/分时，供氧速率完全满足细胞生长代谢的要求；但当搅拌转速从300转/分提高到350转/分时，体系过高的剪切力会导致细胞干重减少8%。在10

6、升发酵罐生产谷氨酰胺转氨酶时，随着通气量和搅拌转速的提高，产酶水平也明显提高，这表明溶解氧对产酶非常重要。在通气量一定时(1.25vvm)，随着搅拌转速的提高(250~300转/分)，酶活逐渐升高；但当搅拌转速升高到400转/分时，酶活反而下降，镜检发现菌球已被打碎，菌丝断裂。 ■平直叶搅拌桨气液分散能力更强    近年来，随着发酵生产工艺技术取得的一些重大进展，发酵罐的容积越来越大，发酵过程的原材料和动力消耗都有很大程度的增加。即使在通气比不变的情况下，发酵罐的通气量也在增加，何况由于发酵技术水平的不断发展，特别是发酵

7、过程中间补料系统的普遍采用，使得发酵过程对空气的需求量又有了较大的增加。这种通气量的增加，对发酵罐搅拌装置的气液分散能力提出了更高的要求。    传统的发酵罐一直是六箭叶、六弯叶的圆盘涡轮搅拌式，一般在50立方米以下。根据搅拌桨叶排液的主要流向特点，圆盘涡轮桨的流型基本上是径向流。当气体由底层搅拌桨的下部引入时，由于圆盘涡轮的存在，可防止气体沿轴向短路，迫使气体进入桨叶端部的高剪切区，在罐的底部得到良好的气液分散。在罐体积较小且挡板设计较好的情况下，所形成的二次轴向流能够较好地提供工艺所需的循环流动，使空气能在整个发酵罐

8、内得到均匀分散。在这种情况下，如果发酵生产中使用的微生物和所要的代谢产物对高剪切不是很敏感，甚至可以采用气液分散能力更强的平直叶圆盘涡轮搅拌桨。如有关企业在4立方米中试规模的发酵罐上做洛伐他汀生产试验时发现，安装箭叶圆盘涡轮搅拌桨的设备发酵单位比平直叶圆盘涡轮搅拌桨的单位低30%~40%，原因是其不能在菌种的对数生长