发酵工程 精品课程
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华东理工大学 ·生物工程学院
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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 几秒（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
氧的供需及对发酵的影响
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?微生物对氧的需求
?发酵液中氧的供给
?影响 Kla的因素（供氧的调节）
?与溶氧相关的参数测定
?发酵过程中溶氧监控的意义
氧的供需及对发酵的影响
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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
氧的供需及对发酵的影响
?微生物对氧的需求
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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 。
氧的供需及对发酵的影响
?微生物对氧的需求
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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.
氧的供需及对发酵的影响
?微生物对氧的需求
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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%
氧的供需及对发酵的影响
?微生物对氧的需求
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品种 测定水温 窒息点
（ mmol/l)
相当于
鲤鱼 29 0.09-0.01 4%
鲢鱼 27 0.01-0.02 4-8%
鲫鱼 29 0.004 2%
氧对鱼类的影
响
胡隐昌，水产养殖,2003
氧的供需及对发酵的影响
?微生物对氧的需求
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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
氧的供需及对发酵的影响
?微生物对氧的需求
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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
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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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
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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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,( * )
lN v K a c c??
消耗,r= QO2,X
氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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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
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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调节 Kla是最常用的方法，
kla反映了设备的供氧能力 。
45升 1吨 10吨
搅拌速度 250 rpm 120 120
供氧速率 7.6 10.7 20.1
不同的设备供氧能力不一样
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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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
发酵罐
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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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
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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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
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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二、影响发酵罐中 Kla的因素
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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已知在通风搅拌发酵罐中，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?
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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1、理论上分析
KLa
n
d
通气量
提高搅拌，调节 kla的效果显著
氧的供需及对发酵的影响
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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
氧的供需及对发酵的影响
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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
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?影响 Kla的因素
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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，发酵设备的供氧是有限的
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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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
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?影响 Kla的因素
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4、生物反应器放大的基本思想
小型反应器和大型反应器的差异：
传动
传热
传递
生物反应过程
剪切、混合、供氧
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?影响 Kla的因素
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氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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箭叶 平叶
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?影响 Kla的因素
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不同搅拌浆对菌体浓度的影响
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化
平叶
箭叶
箭叶：在 4h左右溶氧就从 90的下降到 14.8%，通过不
断提高转数 DO水平始终维持在 20%左右。
平叶：在 8h左右才下降到 23.43%; 中后期 DO水平则
一直在 40%以上。
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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平叶
箭叶
庆大霉素的生产水平提高了 40%以上
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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计算流体力学
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同
时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力
学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影
响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰
在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵
过程的失败 (供氧、混合、剪切） 。
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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? 根据 r,Kla、搅拌桨特性 → 搅拌功率
? 根据 r、菌体细胞剪切 → 搅拌器形式、转速等 ;
? 搅拌器的混和计算流体力学的应用研究 ;
? 大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡，
? 传动装置技术和整体罐结构设计研究 ;
? 。。。。。。。
张嗣良，中国生物工程杂志,2005
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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?根据 r,Kla、搅拌桨特性 → 搅拌功率
Kla
N,D(搅拌功
率）
Q（通气量）
大 小
小 大
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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5、影响 Kla的其它因素
空气分布器
液体的粘度
氧载体
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧
阻力，从而提高传氧效率 (Menge et al.,2001; Lowe et
al.,1998)。这种液相一般具有比水更高的溶氧能力，且与
发酵液互不相溶，称为氧载体 oxygen-vector)。通常使用的
氧载体主要有,液态烷烃、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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溶氧水平提高，虾青素合成增加
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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读书报告：
溶氧对发酵的影响及其控制
要求：
字数不限
要有参考文献（ 04年以后）
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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第四节 CL,r和 Kla的测定
一,CL的测定
1、化学法
I2+2
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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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 -
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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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
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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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
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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2、溶氧电极
停止供气,
dCL
—— = -r
dt
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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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
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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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
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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3、动态法
?不同的测定方法得出的 kla是不一样的
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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第五节 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
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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华东理工大学学报,2000
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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OUR = r：摄氧率 TEMP：温度
AGIT：搅拌转速 DO：溶氧浓度
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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结论：
当 OUR(r)与 DO反向变化时,表明其限制因素为细胞水
平的菌体代谢问题,当 OUR(r)与 DO同向变化时,表明其限制
因素为工程水平的氧传递问题。此时溶氧处于临界氧以下
(这一结论 )可客观地、动态地把握临界氧水平及氧平衡的
制约因素。
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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X,P
t
P
X
0 t
1
0 ～ t
1
∶ gr ow t h p ha s e t
1
～ end ∶ pr od uc i ng ph as e
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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产物形成期：
底物 产物
酶系统 Ⅱ
反应动力学问题
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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 。
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?溶氧浓度的变化及其控制
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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
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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
初期 与 前期
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?溶氧浓度的变化及其控制
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例
：
哈
药
青
霉
素
发
酵
的
工
艺
研
究
*
杜文双，中国抗生素杂志,2002
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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
氧的供需及对发酵的影响
?小结
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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 几秒（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
氧的供需及对发酵的影响
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?微生物对氧的需求
?发酵液中氧的供给
?影响 Kla的因素（供氧的调节）
?与溶氧相关的参数测定
?发酵过程中溶氧监控的意义
氧的供需及对发酵的影响
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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
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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 。
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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.
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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%
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品种 测定水温 窒息点
（ mmol/l)
相当于
鲤鱼 29 0.09-0.01 4%
鲢鱼 27 0.01-0.02 4-8%
鲫鱼 29 0.004 2%
氧对鱼类的影
响
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氧的供需及对发酵的影响
?微生物对氧的需求
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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
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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
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C*＝ P*H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度
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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)
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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
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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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,( * )
lN v K a c c??
消耗,r= QO2,X
氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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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
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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调节 Kla是最常用的方法，
kla反映了设备的供氧能力 。
45升 1吨 10吨
搅拌速度 250 rpm 120 120
供氧速率 7.6 10.7 20.1
不同的设备供氧能力不一样
氧的供需及对发酵的影响
?反应器中氧的传递
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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
发酵罐
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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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
氧的供需及对发酵的影响
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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
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二、影响发酵罐中 Kla的因素
氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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氧的供需及对发酵的影响
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已知在通风搅拌发酵罐中，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?
氧的供需及对发酵的影响
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1、理论上分析
KLa
n
d
通气量
提高搅拌，调节 kla的效果显著
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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
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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
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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，发酵设备的供氧是有限的
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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
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4、生物反应器放大的基本思想
小型反应器和大型反应器的差异：
传动
传热
传递
生物反应过程
剪切、混合、供氧
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氧的供需及对发酵的影响
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箭叶 平叶
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不同搅拌浆对菌体浓度的影响
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发酵过程中搅拌转速和溶氧的变化
平叶
箭叶
箭叶：在 4h左右溶氧就从 90的下降到 14.8%，通过不
断提高转数 DO水平始终维持在 20%左右。
平叶：在 8h左右才下降到 23.43%; 中后期 DO水平则
一直在 40%以上。
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平叶
箭叶
庆大霉素的生产水平提高了 40%以上
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氧的供需及对发酵的影响
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计算流体力学
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发酵过程放大困难的原因就在放大时不可能同
时做到几何相似、流体运动学相似和流体动力
学相似，当在小试研究时某一个对生产产生影
响的重要因素没有被观察到，而这个因素恰恰
在放大时成为关键因子时，就会造成整个发酵
过程的失败 (供氧、混合、剪切） 。
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?影响 Kla的因素
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? 根据 r,Kla、搅拌桨特性 → 搅拌功率
? 根据 r、菌体细胞剪切 → 搅拌器形式、转速等 ;
? 搅拌器的混和计算流体力学的应用研究 ;
? 大型发酵罐高功率搅拌器的加工与动平衡，
? 传动装置技术和整体罐结构设计研究 ;
? 。。。。。。。
张嗣良，中国生物工程杂志,2005
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?根据 r,Kla、搅拌桨特性 → 搅拌功率
Kla
N,D(搅拌功
率）
Q（通气量）
大 小
小 大
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5、影响 Kla的其它因素
空气分布器
液体的粘度
氧载体
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氧的供需及对发酵的影响
?影响 Kla的因素
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通过在发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧
阻力，从而提高传氧效率 (Menge et al.,2001; Lowe et
al.,1998)。这种液相一般具有比水更高的溶氧能力，且与
发酵液互不相溶，称为氧载体 oxygen-vector)。通常使用的
氧载体主要有,液态烷烃、油酸、甲苯、全氟化碳、豆油等。
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溶氧水平提高，虾青素合成增加
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读书报告：
溶氧对发酵的影响及其控制
要求：
字数不限
要有参考文献（ 04年以后）
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第四节 CL,r和 Kla的测定
一,CL的测定
1、化学法
I2+2
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?CL,r和 Kla的测定
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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 -
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?CL,r和 Kla的测定
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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
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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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
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?CL,r和 Kla的测定
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2、溶氧电极
停止供气,
dCL
—— = -r
dt
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?CL,r和 Kla的测定
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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
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?CL,r和 Kla的测定
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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
氧的供需及对发酵的影响
?CL,r和 Kla的测定
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3、动态法
?不同的测定方法得出的 kla是不一样的
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?CL,r和 Kla的测定
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第五节 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
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?溶氧浓度的变化及其控制
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华东理工大学学报,2000
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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OUR = r：摄氧率 TEMP：温度
AGIT：搅拌转速 DO：溶氧浓度
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?溶氧浓度的变化及其控制
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结论：
当 OUR(r)与 DO反向变化时,表明其限制因素为细胞水
平的菌体代谢问题,当 OUR(r)与 DO同向变化时,表明其限制
因素为工程水平的氧传递问题。此时溶氧处于临界氧以下
(这一结论 )可客观地、动态地把握临界氧水平及氧平衡的
制约因素。
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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
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X,P
t
P
X
0 t
1
0 ～ t
1
∶ gr ow t h p ha s e t
1
～ end ∶ pr od uc i ng ph as e
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?溶氧浓度的变化及其控制
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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
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产物形成期：
底物 产物
酶系统 Ⅱ
反应动力学问题
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?溶氧浓度的变化及其控制
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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 。
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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
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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
初期 与 前期
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例
：
哈
药
青
霉
素
发
酵
的
工
艺
研
究
*
杜文双，中国抗生素杂志,2002
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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
氧的供需及对发酵的影响
?溶氧浓度的变化及其控制
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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
氧的供需及对发酵的影响
?小结
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