溶氧 (DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程
中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因
素。
在 28℃ 氧在发酵液中的 100％的空气饱和浓度只有
0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小 7000倍。在对数生
长期即使发酵液中的溶氧能达到 100％空气饱和度，若
此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，
使溶氧成为限制因素。
第六章 氧的供需及对发酵的影响
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量
比耗氧速度或呼吸强度（ QO2）：单位时间内单位体积
重量的细胞所消耗的氧气,mmol O2·g 菌 -1·h -1
摄氧率 (r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。
mmol O2·L -1·h -1 。
r= QO2,X
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
CCr
QO2
CL
CCr,临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度 。
一般对于微生物,CCr,＝ 1～ 15%饱和浓度
例,酵母 4.6*10-3 mmol.L-1,1.8%
产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1,8.8%
定义,氧饱和度＝发酵液中氧的浓度 /临界溶氧溶度
所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度 >1.
问题,一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中
氧很容易满足。
例：以微生物的摄氧率 0.052 mmol O2·L -1·S -1 计，
0.25/0.052=4.8秒
注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样,
头孢菌素 卷须霉素
生长 5% (相对于饱和浓度） 13%
产物 >13% >8%
三、影响需氧的因素
r= QO2,X
? 菌体浓度
? QO2 ?遗传因素
?菌龄
?营养的成分与浓度
?有害物质的积累
?培养条件
第二节 反应器中氧的传递
一、发酵液中氧的传递方程
( ) ( )g i l iN k P P k c c? ? ? ?
C
Ci
P
Pi
气膜 液膜
N：传氧速率 kmol/m2.h
kg,气膜传质系数 kmol/m2.h.atm
Kl,液膜传质系数 m/h
C*＝ P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度
( * )lN K c c??
Kl,以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h)
再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)
( * )lN v K a c c??
Nv：体积传氧速率 kmol/m3.h
Kla,以 (C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1
二、发酵液中氧的平衡
发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中
传递,)*( ccaKNv
l ??
消耗,r= QO2,X
氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
三、供氧的调节
( * )lN v K a c c??
C有一定的工艺要求，所以可以通过 Kla 和 C*来调节
其中 C*＝ P/H
Nv
H
P
Kla
第六章 氧的供需及对发酵的影响
调节 Kla是最常用的方法,kla反映了设备的供氧能力，
一般来讲大罐比小罐要好。
45升 1吨 10吨
搅拌速度 250 rpm 120 120
供氧速率 7.6 10.7 20.1
第三节 影响 Kla的因素
Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇
瓶与发酵罐。
一、影响摇瓶 kla的因素
为装液量和摇瓶机的种类
摇瓶机
往复，频率 80-120分 /次，振幅 8cm
旋转，偏心距 25,12,转述 250rpm
装液量，一般取 1/10左右：
250ml 15-25 ml
500ml 30 ml
750ml 80 ml
例,500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响
装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml
酶活力 713 734 253 92
二、影响发酵罐中 Kla的因素
已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：
( / ) ( )gsK la K P V V???
23
0, 4 50
0, 5 6()g
g
P n dPC
Q
?
350P K n d ??
()K la n d Q?
1、理论上分析
KLa
n
d
通气量
提高搅拌，调节 kla的效果显著
例 某一产品的发酵
d n p0/v c 产量
450 180 1.62 20% 4978
450 280 2.12 40% 5564
550 180 2.61 60% 8455
例 黑曲霉生产糖化酶
n 230 230 270
通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8
产量 1812 2416 2846
提高 d,n显著提高 C,提高了产量
提高 N,比提高 Q有效
2、实际上：
对于转速的调节有时是有限度的
通风的增加也是有限的
蒸发量大
中间挥发性代谢产物带走
例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培
养，比色法测定产量：
通气 静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5
OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2
提高 下降
所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的
3、小型发酵罐和大型发酵罐调节 kla的特点
?小型发酵罐，转速可调
?大型发酵罐，转速往往不可调
?大型反应器的合理设计
?对现有设备一定要注意工艺配套
4、影响 Kla的其它因素
空气分布器
液体的粘度
第四节 CL,r和 Kla的测定
一,CL的测定
1、化学法
2、溶氧电极
?极谱型 (阴极 )：
O2+2H++2e
→H 2O2
?原电池型 (阴极 )：
O2+2H2O+4e
→ 4OH -
极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应
小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补
偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出
不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不
具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约 5～
30μA(主要取决于阴极的表面积和测试温度 )，可以不用
配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使
用。
?膜：耐温、透气、不通水
?测定：一般是得到相对值
二,r的测定
1、物料衡算
流量（进口空气中氧的氧含量 — 出口空气中的氧含量）
r=————————————————————————
发酵液体积
氧的浓度：氧分压仪
2、溶氧电极
停止供气,
dCL
—— = -r
dt
三,Kla的测定
1、亚硫酸盐法（冷膜）
氧 → 亚硫酸钠的氧化
Kla.C* = 亚硫酸浓度的降低
Cu2+
2Na2SO3+O2 → 2Na 2SO4
2、平衡法
r
Kla=————
C*-CL
例,一个装料为 7L的实验室小罐，通气量为 1VVM（标
态），发酵液的 CL＝ 25%、空气进入时的氧含量为 21%，
废气排出的氧含量为 19.8%，求此时菌体的摄氧率和发
酵罐的 Kla
3、动态法
?不同的测定方法得出的 kla是不一样的
第四节 溶氧浓度的变化及其控制
一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定 Kla下）：
r
X
Q
CL
一般有一个低谷，
在对数生长的末期
二、发酵过程中溶氧的控制
1、溶氧控制的策略
微生物反应,
X
S → P+ X
π=a+bμ
X,P
t
P
X
0 t
1
0 ～ t
1
∶ g r o w t h p h a s e t
1
～ end ∶ p r o d u c i n g p h a s e
菌体生长期：
酶系统 Ⅰ 酶系统 Ⅱ
关键因子
开始的细胞 生长好后的细胞
产物合成
产物形成期：
底物 产物
酶系统 Ⅱ
反应动力学问题
发酵过程的控制一般策略：
前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成
溶氧控制的一般策略：
前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成 。
2、溶氧控制的实例
GA
X
DO
谷氨酸发酵,
要求：氧饱和度 >1
控制,0-12小时 小通风
12小时后 增加通风
原因,0-12小时菌体
量较小，采用小通风12
一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大
的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以
有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能
耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一
定要把握好。
例,生产肌苷酸：
通气量不变 17.15 mg/ml
24小时增加 22.55 mg/ml
30小时增加 18.25 mg/ml
36小时增加 12.34 mg/ml
例
：
某
厂
青
霉
素
发
酵
的
工
艺
研
究 *
三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义
1、考察工艺控制是否满足要求
2、其它异常情况的表征
染菌、噬菌体、设备和操作故障
3、间接控制的措施
本章小节：
了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念
掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定
深入理解 Kla的意义，了解反应器放大的基本概念
掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控
溶氧浓度的意义
中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因
素。
在 28℃ 氧在发酵液中的 100％的空气饱和浓度只有
0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小 7000倍。在对数生
长期即使发酵液中的溶氧能达到 100％空气饱和度，若
此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，
使溶氧成为限制因素。
第六章 氧的供需及对发酵的影响
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量
比耗氧速度或呼吸强度（ QO2）：单位时间内单位体积
重量的细胞所消耗的氧气,mmol O2·g 菌 -1·h -1
摄氧率 (r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。
mmol O2·L -1·h -1 。
r= QO2,X
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
CCr
QO2
CL
CCr,临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度 。
一般对于微生物,CCr,＝ 1～ 15%饱和浓度
例,酵母 4.6*10-3 mmol.L-1,1.8%
产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1,8.8%
定义,氧饱和度＝发酵液中氧的浓度 /临界溶氧溶度
所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度 >1.
问题,一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中
氧很容易满足。
例：以微生物的摄氧率 0.052 mmol O2·L -1·S -1 计，
0.25/0.052=4.8秒
注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样,
头孢菌素 卷须霉素
生长 5% (相对于饱和浓度） 13%
产物 >13% >8%
三、影响需氧的因素
r= QO2,X
? 菌体浓度
? QO2 ?遗传因素
?菌龄
?营养的成分与浓度
?有害物质的积累
?培养条件
第二节 反应器中氧的传递
一、发酵液中氧的传递方程
( ) ( )g i l iN k P P k c c? ? ? ?
C
Ci
P
Pi
气膜 液膜
N：传氧速率 kmol/m2.h
kg,气膜传质系数 kmol/m2.h.atm
Kl,液膜传质系数 m/h
C*＝ P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度
( * )lN K c c??
Kl,以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h)
再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)
( * )lN v K a c c??
Nv：体积传氧速率 kmol/m3.h
Kla,以 (C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1
二、发酵液中氧的平衡
发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中
传递,)*( ccaKNv
l ??
消耗,r= QO2,X
氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
三、供氧的调节
( * )lN v K a c c??
C有一定的工艺要求，所以可以通过 Kla 和 C*来调节
其中 C*＝ P/H
Nv
H
P
Kla
第六章 氧的供需及对发酵的影响
调节 Kla是最常用的方法,kla反映了设备的供氧能力，
一般来讲大罐比小罐要好。
45升 1吨 10吨
搅拌速度 250 rpm 120 120
供氧速率 7.6 10.7 20.1
第三节 影响 Kla的因素
Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇
瓶与发酵罐。
一、影响摇瓶 kla的因素
为装液量和摇瓶机的种类
摇瓶机
往复，频率 80-120分 /次，振幅 8cm
旋转，偏心距 25,12,转述 250rpm
装液量，一般取 1/10左右：
250ml 15-25 ml
500ml 30 ml
750ml 80 ml
例,500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响
装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml
酶活力 713 734 253 92
二、影响发酵罐中 Kla的因素
已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：
( / ) ( )gsK la K P V V???
23
0, 4 50
0, 5 6()g
g
P n dPC
Q
?
350P K n d ??
()K la n d Q?
1、理论上分析
KLa
n
d
通气量
提高搅拌，调节 kla的效果显著
例 某一产品的发酵
d n p0/v c 产量
450 180 1.62 20% 4978
450 280 2.12 40% 5564
550 180 2.61 60% 8455
例 黑曲霉生产糖化酶
n 230 230 270
通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8
产量 1812 2416 2846
提高 d,n显著提高 C,提高了产量
提高 N,比提高 Q有效
2、实际上：
对于转速的调节有时是有限度的
通风的增加也是有限的
蒸发量大
中间挥发性代谢产物带走
例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培
养，比色法测定产量：
通气 静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5
OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2
提高 下降
所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的
3、小型发酵罐和大型发酵罐调节 kla的特点
?小型发酵罐，转速可调
?大型发酵罐，转速往往不可调
?大型反应器的合理设计
?对现有设备一定要注意工艺配套
4、影响 Kla的其它因素
空气分布器
液体的粘度
第四节 CL,r和 Kla的测定
一,CL的测定
1、化学法
2、溶氧电极
?极谱型 (阴极 )：
O2+2H++2e
→H 2O2
?原电池型 (阴极 )：
O2+2H2O+4e
→ 4OH -
极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应
小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补
偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出
不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不
具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约 5～
30μA(主要取决于阴极的表面积和测试温度 )，可以不用
配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使
用。
?膜：耐温、透气、不通水
?测定：一般是得到相对值
二,r的测定
1、物料衡算
流量（进口空气中氧的氧含量 — 出口空气中的氧含量）
r=————————————————————————
发酵液体积
氧的浓度：氧分压仪
2、溶氧电极
停止供气,
dCL
—— = -r
dt
三,Kla的测定
1、亚硫酸盐法（冷膜）
氧 → 亚硫酸钠的氧化
Kla.C* = 亚硫酸浓度的降低
Cu2+
2Na2SO3+O2 → 2Na 2SO4
2、平衡法
r
Kla=————
C*-CL
例,一个装料为 7L的实验室小罐，通气量为 1VVM（标
态），发酵液的 CL＝ 25%、空气进入时的氧含量为 21%，
废气排出的氧含量为 19.8%，求此时菌体的摄氧率和发
酵罐的 Kla
3、动态法
?不同的测定方法得出的 kla是不一样的
第四节 溶氧浓度的变化及其控制
一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定 Kla下）：
r
X
Q
CL
一般有一个低谷，
在对数生长的末期
二、发酵过程中溶氧的控制
1、溶氧控制的策略
微生物反应,
X
S → P+ X
π=a+bμ
X,P
t
P
X
0 t
1
0 ～ t
1
∶ g r o w t h p h a s e t
1
～ end ∶ p r o d u c i n g p h a s e
菌体生长期：
酶系统 Ⅰ 酶系统 Ⅱ
关键因子
开始的细胞 生长好后的细胞
产物合成
产物形成期：
底物 产物
酶系统 Ⅱ
反应动力学问题
发酵过程的控制一般策略：
前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成
溶氧控制的一般策略：
前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成 。
2、溶氧控制的实例
GA
X
DO
谷氨酸发酵,
要求：氧饱和度 >1
控制,0-12小时 小通风
12小时后 增加通风
原因,0-12小时菌体
量较小，采用小通风12
一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大
的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以
有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能
耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一
定要把握好。
例,生产肌苷酸：
通气量不变 17.15 mg/ml
24小时增加 22.55 mg/ml
30小时增加 18.25 mg/ml
36小时增加 12.34 mg/ml
例
：
某
厂
青
霉
素
发
酵
的
工
艺
研
究 *
三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义
1、考察工艺控制是否满足要求
2、其它异常情况的表征
染菌、噬菌体、设备和操作故障
3、间接控制的措施
本章小节：
了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念
掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定
深入理解 Kla的意义，了解反应器放大的基本概念
掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控
溶氧浓度的意义
