底裝式曝氣器的增氧量如何最大化發酵產量？

增氧量是好氧發酵用底置式曝氣機的重要性能指標。它描述了曝氣系統在特定時間內能轉移至液體中的氧氣量，通常以每小時氧氣公斤數 (kg O₂/h) 表示。對於發酵設備而言，此數值有助於工程師了解曝氣機的標稱氧氣傳遞能力，並評估其是否能滿足製程的氧氣需求。

然而，增氧量並非單純測量進入槽體的空氣量。氧氣必須先從氣相轉移至液相，微生物才能利用。此傳遞效率取決於氣體分散狀況、液體性質、操作條件以及測定額定值所用的方法。

DAWT 系列底置式曝氣機將空氣吸入、機械攪拌和氣液分散功能整合於單一單元中。了解增氧量的意義、形成方式以及影響其實際性能的因素，有助於工程師更準確地解讀設備規格。

什麼是增氧量？

增氧量是指在特定條件下，單位時間內從氣相轉移至液體中的氧氣量。以 kg O₂/h 表示時，它指的是每小時測得或額定的氧氣傳遞量。

這與供給曝氣機的空氣中所含的氧氣量不同。空氣中含有氧氣，但並非所有氧氣都能溶於液體。部分氧氣會殘留在氣相中，經由排氣系統離開槽體。

例如，一台曝氣機可能吸入大量空氣，但僅將其部分氧氣轉移至發酵液中。因此，其增氧量不僅取決於導入的空氣量，也取決於設備使氣體與液體接觸的效率。

在實際應用中，增氧量有助於描述曝氣機為製程供氧的能力。解釋此數值時，應始終與其測定時的條件相關聯。若無明確的測試方法與參考條件，僅憑一個額定數值，無法確立其在每種發酵應用中都能達到的氧氣傳遞性能。

底置式曝氣機如何傳遞氧氣？

BOAO DAWT 系列的增氧量與其整合式氣液混合機制密切相關。

該單元主要由一個葉輪、周圍的定子或分配器，以及一根連通大氣的進氣管組成。運轉時，旋轉的葉輪在定子內部形成低壓區，從而經由進氣管吸入空氣。進入的空氣與液體在旋轉件與靜止件之間的混合區相遇。

隨著葉輪旋轉，機械能促進氣液混合。形成的混合物通過分配器通道後，進入周圍的發酵液中。此過程將導入的氣體分散成氣泡，增加了氣相與液相之間的接觸面積。

氧氣傳遞發生於氣液介面。氧氣從氣泡內部的空氣中移動，穿過介面，進入周圍液體。一旦溶解，即可供發酵過程中的微生物及其他耗氧反應使用。

DAWT 產品說明中指出，氣體可被分散成直徑約 100 微米的氣泡。對於相同體積的氣體而言，較小的氣泡能提供更大的總介面面積，有助於氧氣傳遞。然而，實際氣泡尺寸取決於操作條件與液體性質，不應假定該數值代表運轉槽體中的每一個氣泡。

此外，底裝式配置有助於從槽體底部促進液體循環。透過結合曝氣與攪拌，該單元能將含氧液體分布於整個發酵液中，而非僅依靠導入空氣。

哪些因素會影響增氧量？

增氧量受多個交互作用的因素影響。了解這些因素有助於解釋為何同一台曝氣機在不同液體或操作環境下，可能表現出不同的氧氣傳遞性能。

氣液介面面積

氧氣傳遞發生於氣泡與周圍液體的介面。對於給定的氣體體積而言，更細微的氣泡分散通常能產生更大的介面面積，為氧氣進入液體提供更多機會。

底置式曝氣機中的葉輪與定子配置，透過機械攪拌促進氣體分散。然而，氣泡合併、液體組成以及操作條件，都可能改變實際運作時可用的介面面積。

氧氣濃度差

氧氣傳遞部分是由在當前條件下液體所能支持的氧氣濃度，與其目前溶解氧濃度之間的差異所驅動。

當此差異較大時，氧氣傳遞的驅動力通常會增加。當液體接近氧氣飽和時，驅動力會減小，傳遞額外氧氣將變得更加困難。

這也是為何不能脫離溶解氧條件來解釋增氧量的原因之一。在一組條件下獲得的數值，可能無法直接與另一組條件下的結果相比較。

液體性質

液體的組成會影響氧氣穿過氣液介面的運動。黏度、表面張力、溶解物質、懸浮固體以及生物質濃度，都可能影響氣泡形成、循環以及氧氣傳遞。

相對低黏度的液體，其循環方式可能與含有高濃度微生物或其他懸浮物質的濃稠發酵液不同。在某些發酵液中，增加的黏度可能會限制混合並改變氣體分散，從而降低有效的氧氣傳遞。

因此，在一種液體條件下建立的增氧量，不應自動套用至性質差異顯著的發酵培養基。

混合與循環

充分的混合有助於更新氣泡周圍的液體，並將溶解氧分布於整個槽體。若循環不佳，即使整體曝氣系統正在運作，局部氧氣濃度也可能差異甚大。

底置式曝氣機的整合式葉輪與分配器，有助於氣體分散與液體流動。然而，實際性能取決於曝氣機與槽體幾何形狀、液體體積以及製程條件之間的關係。

操作與測試條件

溫度、壓力、溶解氧濃度以及液體組成，都會影響氧氣傳遞。測量方法也很重要，因為不同的測試條件可能產生不同的報告數值。

因此，在審視製造商的增氧量規格時，工程師應確認該數值是代表實驗室測量值、在特定參考條件下獲得的數值，還是其他類型的額定性能。此資訊對於進行有意義的比較是必要的。

了解 DAWT 系列的增氧量

DAWT 技術數據以 kg O₂/h 列出增氧量，不同型號有不同的範圍。

在該系列的低階型號中，DAWT7.5 列出的增氧量為 0.35–0.6 kg O₂/h。在高階型號中，DAWT185 則列出為 20–27 kg O₂/h。這些數值表明，標稱的氧氣傳遞能力在產品系列中差異很大。

這些範圍也表明，所列出的容量並非總是呈現為單一固定值。然而，現有的產品資訊並未指定定義下限和上限的測試方法或條件。因此，應將此範圍視為製造商的標稱規格，而非對每種操作條件下性能的保證。

在解釋這些數值時，區分三個問題很重要：

• 額定值說明了什麼？它表示產品數據中分配給該型號的增氧量。
• 它在什麼條件下適用？這需要釐清測試方法、液體性質、溶解氧條件以及其他相關的操作假設。
• 在預期製程中可實現的性能為何？這取決於實際的發酵培養基、槽體配置以及操作環境。

在比較不同製造商的設備時，此區分尤為重要。兩個產品可能都指定了以 kg O₂/h 為單位的增氧量，但其數值可能是在使用不同方法或參考條件下獲得的。在不了解其基礎的情況下直接比較數字，可能導致誤導性的結論。

對於 DAWT 系列而言，已公布的數值為了解設備的標稱氧氣傳遞能力提供了一個有用的起點。當該數值將用於詳細的製程計算時，仍需特定應用的確認。

增氧量與實際氧氣傳遞速率

增氧量與氧氣傳遞速率密切相關，但在每份技術文件中，不應自動將其視為可互換的術語。

氧氣傳遞速率 (OTR) 描述的是在實際或定義的操作條件下，單位時間內傳遞到液體中的氧氣量。在發酵工程中，它常用於評估曝氣系統是否能滿足培養物的需氧量。

氧氣傳遞的簡化關係式為：

OTR = k_La(C^* - C_L)
其中：

• (k_La) 為體積傳質係數。
• (C^*) 為相關條件下的平衡溶解氧濃度。
• (C_L) 為液體中的實際溶解氧濃度。

此關係說明了為何氧氣傳遞不僅取決於曝氣機的標稱容量。傳質係數反映了氣液接觸與傳遞特性的綜合效應，而濃度差則提供了氧氣進入液體的驅動力。

此方程式是氧氣傳遞的概念性描述，而非根據現有產品規格計算 DAWT 系列實際性能的方法。可靠的計算需要適當的製程數據以及相關係數和濃度的明確定義基礎。

當使用額定增氧量進行工程決策時，應先確認供應商的測試條件。必要時，可透過製程測試來確定設備在預期培養基中的性能表現。

為何增氧量在好氧發酵中至關重要？

在好氧發酵中，微生物會消耗溶解氧作為其代謝活動的一部分。如果氧氣傳遞無法跟上氧氣消耗的速度，溶解氧可能會降至製程所需的水準以下。

根據微生物與產物的不同，氧氣限制可能會影響生長、代謝途徑、底物利用以及產物生成。充足的氧氣傳遞有助於維持一致發酵性能所需的條件。

然而，提高增氧量並不會自動增加產量。最佳的氧氣供應取決於微生物、發酵階段、培養基組成以及目標產物。某些製程需要一個受控的溶解氧範圍，而非達到最高的氧氣傳遞速率。

因此，評估增氧量的目的在於了解設備傳遞氧氣的能力，並確定該能力是否符合製程需求。這是發酵性能的一個重要環節，而非最終產量的直接衡量標準。

如何正確使用增氧量規格

在依賴標稱增氧量之前，應先確認該數值是如何獲得的，以及它代表了哪些操作條件。若供應商提供測試報告，應審查其測量方法、液體介質、溫度、壓力以及溶解氧條件。

對於 DAWT 系列，已公布的增氧量範圍可作為初步技術參考。若設備計劃用於特定的發酵液，可能需要進一步評估，以確定標稱容量是否仍然適用。

區分額定的氧氣傳遞能力與生產批次中實際達到的氧氣傳遞量，也很有用。溶解氧測量值與製程數據有助於確定在實際操作條件下，氧氣供應是否充足。

透過這種方式解釋增氧量，工程師可以避免混淆空氣供應與氧氣傳遞、比較不相容的規格，或假設一個名義數值就能保證在每個發酵系統中獲得相同結果。

正確理解此參數是評估底置式曝氣機性能的第一步。以 kg O₂/h 為單位的數值提供了一個有意義的技術參考，但其實際意義取決於氧氣傳遞時的條件以及曝氣機所運作的製程要求。