體積氧傳遞系數KLa：決定發酵產物產量的核心參數，三大影響因素全解析

體積氧傳遞系數（KLa）是發酵罐在單位時間內將氧氣從氣體傳遞到液體中的最大綜合能力的度量，可以直觀理解為發酵罐的“肺活量”——數值越高，系統的“呼吸”與供氧效率就越高。

一、發酵罐設備參數

      發酵罐的結構與部件設計直接影響氧傳遞效率，主要包括幾何形狀、攪拌器、擋板及空氣分布器等。這些參數往往與攪拌器直徑d密切相關，且攪拌器直徑對KLa的影響尤為顯著，因此常以d作為代表設備參數的基本變量。

       攪拌有兩個核心功能。第一是打碎氣泡：高速旋轉的攪拌槳葉能將通入的大氣泡切割成無數小氣泡，極大地增加氣液接觸的表面積（即公式中的a）。第二是創造湍流：強烈的攪拌使液體劇烈流動，減薄氣泡周圍的液膜厚度，讓氧氣更容易從氣泡擴散到液體中（即提高KL）。

       一般來說，攪拌器直徑越大、轉速越快，打碎氣泡和創造湍流的效果就越強，KLa值顯著提高。

      擋板是安裝在罐壁的豎條板，防止液體隨著攪拌器一起旋轉形成“漩渦”。有了擋板，液體被迫上下翻騰，形成更有效的全罐混合和湍流。在合適的全擋板條件下，能最大化攪拌效率，從而提升  KLa。

      空氣分布器（噴管/噴環）是將無菌空氣均勻地分布到罐體底部。分布器孔徑和布局會影響初始氣泡的大小和分布。分布設計良好，能產生更均勻、更小的初始氣泡，為后續攪拌打碎提供更好的基礎，有助于KLa的提高。

二、發酵罐操作參數

       操作條件對KLa具有重要調節作用，主要包括通氣表觀線速度Ws 、攪拌轉速N、攪拌功率Ps、發酵液體積V以及液柱高度HL等。其中， Ws和N的影響最為突出，在實踐中常被視為關鍵操作變量。

       攪拌轉速（N）是最直接、最有效的控制杠桿。提高轉速能立即增強氣泡破碎和液體湍動，如上所述，能同時增加氣液接觸面積 ( a ) 和傳質系數 ( KL )。 KLa隨攪拌轉速的上升而快速增加。但轉速過高會導致剪切力過大，可能損傷細胞，并消耗大量功率。

       通氣量 / 表觀線速度（Ws）是通過通氣量影響，通氣量越大，意味著單位時間內通入的空氣越多，罐內氣泡的數量也越多，從而直接增加了氣液接觸的機會（即增加a）。

       在一定范圍內，提高通氣量能有效增加  KLa 。但并非越高越好，通氣量過大時，可能超過攪拌器的“處理能力”，導致大氣泡增多、停留時間縮短，甚至造成“液泛”（氣體直接從液面逸出，未充分接觸），反而可能使KLa的增益下降或能耗劇增。

三、發酵液性質

發酵液本身的物理性質也會顯著影響氧傳遞，包括密度ρ 、黏度η、界面張力σ以及擴散系數  DL 。這些參數各自獨立地對KLa產生影響，因此均需作為基本參數加以考慮。

    密度、擴散系數的影響：液體密度影響攪拌和通氣時的流體動力學。氧氣的擴散系數則直接決定了它在液體中移動的難易程度，擴散系數低，傳質速度就慢。這些參數相對穩定，但在不同組成的發酵液中會有所差異，共同構成影響KL的物性背景。

       黏度（η）的影響：這是最重要的物性影響因素。高黏度的發酵液（如絲狀菌發酵液或高濃度多糖體系）非常粘稠。

    1. 阻礙氣泡破碎：粘稠的液體像“膠水”一樣，使攪拌器難以切割大氣泡，導致氣泡平均直徑變大，接觸面積 ( a ) 減小。

    2. 增加傳質阻力：氣泡周圍的液膜變厚且更穩定，氧氣穿越液膜的難度大大增加 ( K_L  下降)。

      發酵液黏度升高會嚴重降低KLa，這是高黏度發酵過程供氧困難的根本原因。發酵液自溶黏度升高，經常出現溶氧檢測參數先下降再回升就是這個原理。

      表面張力（σ）的影響：表面張力影響氣泡的形成和穩定性。表面張力低，氣泡容易變形和破裂，有利于形成小氣泡。降低表面張力通常有利于提高KLa。這也是為什么有時在發酵中添加消泡劑（通常能降低表面張力）后，雖然是為了消泡，但可能會意外地暫時改善氧傳遞。

       體積氧傳遞系數KLa作為評估發酵過程中氧傳遞能力的關鍵參數，受設備結構、操作條件及發酵液物理性質多方面因素的共同影響。    

       簡單說就是通過優化設備與操作，盡可能在發酵液中制造出數量眾多、停留時間長的小氣泡，并讓它們處于劇烈湍動的液體環境中，同時還要克服發酵液自身性質（尤其是高黏度）帶來的傳質阻力。

       體積氧傳遞系數（KLa）是衡量發酵過程中氧氣從氣相傳遞到液相效率的核心指標，直接決定了微生物能否獲得充足氧氣進行生長與代謝，是發酵工藝優化、設備設計及生產穩定性控制的關鍵依據，其數值高低直接關聯發酵產物的產量與質量。對于工業發酵生產系統構建，需對其有深入的了解。