Kla及其在發酵放大中的關鍵作用

理解Kla及其在發酵放大中的關鍵作用

Kla的定義與物理意義
Kla（Volumetric Oxygen Transfer Coefficient，體積傳氧系數）是衡量發酵系統中氧氣從氣相傳遞到液相效率的核心參數，單位為h?1。其物理意義由公式定義：
OTR = Kla · (C* - CL)
其中：

• ? OTR：氧傳遞速率（Oxygen Transfer Rate）
• ? C*：飽和溶氧濃度（與溫度、壓力相關）
• ? CL：液相實際溶氧濃度
   簡單理解：Kla 如同細胞的“呼吸效率指數”：

• ? Kla值越高 → 氧氣溶解速度越快 → 細胞“呼吸”越順暢
• ? Kla值過低 → 溶氧成為限制因子 → 代謝轉向副產物積累

影響Kla的關鍵因素

發酵罐中Kla值由三要素共同決定：

Kla ∝ (P/V)^α · (Vs)^β

• ? P/V：單位體積攪拌功率（kW/m3）
• ? Vs：表觀氣速（m/s）
• ? α, β：體系相關指數（通常α≈0.4-0.7, β≈0.3-0.5）

Kla近似放大的三大核心策略

在從小試到生產的放大過程中，需通過以下手段實現Kla動態平衡：

1. 恒定單位體積功率 (P/V)

原理：攪拌功率是氣泡破碎與傳質的主要驅動力
放大操作：生產罐單位體積功率 (P/V)  = 小試罐單位體積功率 (P/V) 

實施難點：

• ? 大罐機械強度限制（葉輪尖端線速度需≤8 m/s）
• ? 解決方案：
• ? 階梯式放大（如5L→50L→500L→5m3）
• ? 大罐使用多組葉輪（提升功率分布均勻性）

2. 調控通氣與攪拌協同

原理：通氣提供界面面積，攪拌提升傳質系數
放大矛盾：

• ? 小試：通氣率0.5 vvm即可維持Kla
• ? 生產罐：需1.0-1.5 vvm + 更高攪拌轉速
  優化策略：
• ? 通氣比例放大：  

  生產罐通氣量(VVM) = 小試罐通氣量 × (小試罐直徑 / 生產罐直徑)
  

• ? 抗泡沫設計：
  添加消泡劑 + 機械消泡槳（防止高通氣導致逃液）

3. 反應器選型與結構優化

不同罐型的Kla能力對比：

關鍵結構優化點：

• ? 高徑比 (H/D)：
  大罐采用高徑比（2.5-3.0）延長氣泡停留時間
• ? 氣體分布器：
  微孔曝氣器替代單孔管（提升氣泡分散度）
• ? 擋板設計：
  4-6組擋板消除漩渦（增強氣液混合）

放大驗證：從數據到模型

Kla放大的黃金法則：

OTR ≥ OUR
（氧傳遞速率 ≥ 細胞攝氧率）

驗證流程：

1. 1. 小試階段：
• ? 測定菌種最大攝氧率 (OUR_{max})
• ? 建立Kla與P/V、VVM的關系模型
2. 2. 中試階段：
• ? 通過亞硫酸鹽氧化法實測Kla值
• ? 調整攪拌/通氣使 Kla · C* > OUR_{max}
3. 3. 生產放大：
• ? 安裝在線溶氧電極動態監測
• ? 設置DO反饋控制（自動調節攪拌/通氣）

典型案例：青霉素發酵的Kla放大

50L罐 → 10m3罐的放大參數：

總結：Kla放大的科學邏輯鏈

細胞攝氧需求 OUR計算最小Kla要求小試建立P/V-VVM-Kla模型中試驗證流體混合狀態生產罐按比例調節功率與通氣在線監測OTR/OUR平衡Kla近似放大成功

通過精準控制功率輸入、氣體分散與流體動力學的協同作用，可實現Kla的科學放大——這是發酵工藝從實驗室走向工業化的核心突破點。