溶氧(dissolvedoxygen，DO)是需氧微生物生長所必需。在發酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。

在28℃氧在發酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol/L左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數生長期即使發酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若此時中止供氧，發酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內便耗竭，使溶氧成為限制因素。第六章氧的供需及對發酵的影響1可編輯版第一節微生物對氧的需求第二節發酵液中氧的供給第三節影響Kla的因素（供氧的調節）第四節與溶氧相關的參數測定第五節發酵過程中溶氧監控的意義2可編輯版第一節微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量

比耗氧速度(呼吸強度)（Qo2）：單位時間內單位重量的細胞所消耗的氧氣，mmolO2·g-1cell·h-1

攝氧率(r)：單位時間內單位體積的發酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=Qo2.X3可編輯版微生物溫度/℃臨界氧值/(mmolO2/L)溫度/℃臨界氧值/(mgO2/L)大腸桿菌37.80.00820.003115.00.26酵母34.80.00460.003720.00.60產黃青霉30.00.00900.022024.00.40幾種微生物的呼吸臨界氧值4可編輯版二、溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。5可編輯版一般對于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

產黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發酵液中氧的濃度/臨界溶氧濃度所以對于微生物生長，只要控制發酵過程中氧飽和度>1.6可編輯版問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

計，

0.25/0.052=4.8秒注意：由于產物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產物>13%>8%7可編輯版品種測定水溫窒息點（mmol/l)相當于鯉魚290.09-0.014%鰱魚270.01-0.024-8%鯽魚290.0042%氧對魚類的影響胡隱昌，水產養殖,20038可編輯版三、影響需氧的因素r=QO2·X

菌體濃度QO2

遺傳因素

菌齡

營養的成分與濃度

有害物質的積累

培養條件9可編輯版第二節反應器中氧的傳遞CP氣膜液膜只有溶解于液相中的氧才可能被其中的微生物所利用雙膜理論前提：氣泡與包圍著氣泡的液體間存在接觸面；氣泡側為氣膜，液泡側為液膜。O2以擴散方式，借濃度差由氣液雙膜進入液相。雙膜之間兩相界面上，氧分壓強與溶于界面液膜中的氧濃度處于平衡關系；傳質過程處于穩定態，傳質途徑個各點氧濃度不隨時間變化。雙膜理論PiCi傳氧方向界面10可編輯版第二節反應器中氧的傳遞一、發酵液中氧的傳遞方程CP氣膜液膜N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質系數kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質系數m/hP:氣相中氧的分壓強C：液相溶解氧濃度雙膜理論PiCi傳氧方向界面11可編輯版C*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動力的總傳遞系數(m/h)

再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數h-112可編輯版二、發酵液中氧的平衡發酵液中供氧和需氧始終處于一個動態的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發酵液中氧的濃度上面13可編輯版三、供氧的調節C有一定的工藝要求，所以可以通過KLa

和C*來調節其中C*＝P/HNvHPKLa14可編輯版調節KLa是最常用的方法，KLa反映了設備的供氧能力。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1不同的設備供氧能力不一樣15可編輯版第三節影響KLa的因素KLa反映了設備的供氧能力。發酵常用的設備為：搖瓶發酵罐

16可編輯版一、影響搖瓶KLa的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉，偏心距25、12，轉述250rpm17可編輯版裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml50ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml

酶活力7137342539218可編輯版二、影響發酵罐中KLa的因素19可編輯版20可編輯版21可編輯版已知在通風攪拌發酵罐中，全擋板條件下：22可編輯版1、理論上分析KLand通氣量提高攪拌轉速，調節KLa的效果顯著23可編輯版例某一產品的發酵

dnp0/vc產量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產糖化酶

n230230270

通氣比1:0.81:1.21:0.8

產量181224162846提高d、n顯著提高C，提高了產量提高n，比提高Q有效24可編輯版2、實際上：對于轉速的調節有時是有限度的通風的增加也是有限的蒸發量大中間揮發性代謝產物帶走25可編輯版例：紅曲霉生產色素用于食品工業，靜止培養改為通氣培養，比色法測定產量：通氣靜止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以這些因素的存在，發酵設備的供氧是有限的26可編輯版3、小型發酵罐和大型發酵罐調節KLa的特點

小型發酵罐，轉速可調

大型發酵罐，轉速往往不可調

大型反應器的合理設計

對現有設備一定要注意工藝配套27可編輯版4、生物反應器放大的基本思想小型反應器和大型反應器的差異：傳動傳熱傳遞生物反應過程剪切、混合、供氧28可編輯版29可編輯版箭葉平葉30可編輯版不同攪拌漿對菌體濃度的影響31可編輯版發酵過程中攪拌轉速和溶氧的變化平葉箭葉箭葉：在4h左右溶氧就從90的下降到14.8%，通過不斷提高轉數DO水平始終維持在20%左右。平葉：在8h左右才下降到23.43%;中后期DO水平則一直在40%以上。32可編輯版平葉箭葉慶大霉素的生產水平提高了40%以上33可編輯版34可編輯版35可編輯版計算流體力學36可編輯版

發酵過程放大困難的原因就在放大時不可能同時做到幾何相似、流體運動學相似和流體動力學相似，當在小試研究時某一個對生產產生影響的重要因素沒有被觀察到，而這個因素恰恰在放大時成為關鍵因子時，就會造成整個發酵過程的失敗(供氧、混合、剪切）。37可編輯版

根據r,KLa、攪拌槳特性→攪拌功率根據r、菌體細胞剪切→攪拌器形式、轉速等;

攪拌器的混和計算流體力學的應用研究;

大型發酵罐高功率攪拌器的加工與平衡，傳動裝置技術和整體罐結構設計研究;

。。。。。。。張嗣良，中國生物工程雜志，200538可編輯版根據r,KLa、攪拌槳特性→攪拌功率KLaN,D(攪拌功率）Q（通氣量）大小小大39可編輯版5、影響KLa的其它因素空氣分布器液體的粘度氧載體40可編輯版41可編輯版

通過在發酵液中引入一種新的液相，以減少氣液傳氧阻力，從而提高傳氧效率(Mengeetal.,2001;Loweetal.,1998)。這種液相一般具有比水更高的溶氧能力，且與發酵液互不相溶，稱為氧載體oxygen-vector)。通常使用的氧載體主要有:液態烷烴、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。42可編輯版溶氧水平提高，蝦青素合成增加43可編輯版讀書報告：溶氧對發酵的影響及其控制要求：字數不限要有參考文獻（06年以后）44可編輯版第四節CL、r和KLa的測定一、CL的測定1、化學法45可編輯版2、溶氧電極

極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2

原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-46可編輯版

極譜型電極由于其陰極面積很小，電流輸出也相應小，且需外加電壓，故需配套儀表，通常還配有溫度補償，整套儀器價格較高，但其最大優點莫過于它的輸出不受電極表面液流的影響。這點正是原電池型電極所不具備的。原電池型電極暴露在空氣中時其電流輸出約5～30μA(主要取決于陰極的表面積和測試溫度)，可以不用配套儀表，經一電位器接到電位差記錄議上便可直接使用。

膜：耐溫、透氣、不通水

測定：一般是得到相對值47可編輯版二、r的測定1、物料衡算

流量（進口空氣中氧的氧含量—出口空氣中的氧含量）r=————————————————————————

發酵液體積氧的濃度：氧分壓儀48可編輯版2、溶氧電極停止供氣：dCL——=-rdt49可編輯版三、KLa的測定1、亞硫酸鹽法（冷膜）氧→亞硫酸鈉的氧化KLa.C*=亞硫酸濃度的降低Cu2+

2Na2SO3+O2→2Na2SO450可編輯版2、平衡法

rKLa=————C*-CL例：一裝料為7L的發酵罐，通氣量1vvm，操作壓力為0.3Kg/cm2，在某發酵時間內發酵液的溶氧濃度為飽和氧濃度的25%，空氣進入時的氧含量為21%，廢氣排出時的氧含量為19.8%。（1

atm時氧飽和濃度C*=0.2mmol/L，氧氣密度1.429g/L）求此時菌的攝氧率和KLa51可編輯版r=Q*(Y進口-Y出口)/VKLa=r/(C*-CL)發酵罐中實際氧飽和濃度：C*=0.2(1+P)KLa＝r/0.206(0.21-0.198)r=1×7×60×(0.21-0.198)×1.429/32×103

/752可編輯版3、動態法

不同的測定方法得出的kLa是不一樣的53可編輯版第五節溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發酵中氧濃度的變化規律（一定KLa下）：rXQCL一般有一個低谷，在對數生長的末期54可編輯版華東理工大學學報，200055可編輯版OUR=r：攝氧率TEMP：溫度AGIT：攪拌轉速DO：溶氧濃度56可編輯版結論：

當OUR(r)與DO反向變化時,表明其限制因素為細胞水平的菌體代謝問題,當OUR(r)與DO同向變化時,表明其限制因素為工程水平的氧傳遞問題。此時溶氧處于臨界氧以下(這一結論)可客觀地、動態地把握臨界氧水平及氧平衡的制約因素。57可編輯版二、發酵過程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略微生物反應:

XS→P+Xπ=a+bμ58可編輯版溶氧濃度的變化及其控制59可編輯版菌體生長期：酶系統Ⅰ酶系統Ⅱ關鍵因子開始的細胞生長好后的細胞產物合成60可編輯版產物形成期：底物產物酶系統Ⅱ

反應動力學問題

61可編輯版發酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體