方法：通气搅拌，溶氧升到最高；中止通气，继续 搅拌，顶部充氮气，溶氧迅速下降。 各种微生物的呼吸临界氧值：
细菌和酵母：3~10% 放线菌：5~30% 霉菌：10~15%
合成的临界氧值：
考察不同溶氧浓度对生产的影响，便可求 得合成的临界氧值。
注意： ●实际上，呼吸临界氧值不一定与产物 合成临界氧值相同。 ●生物合成临界氧浓度并不等于其最适 氧浓度。 ●在培养过程中并不是维持溶氧越高越 好。过高的溶氧对生长可能不利。
发酵13h
50～55
20
13 50
当不存在其他限制性基质时，溶解氧浓度高于临界
值，细胞的比耗氧速率保持恒定；
如果溶解氧浓度低于临界值，细胞的比耗氧速率就 会大大下降，或者是微生物的呼吸速率随溶解氧浓 度降低而显著下降，细胞处于半厌气状态，代谢活
动受到阻碍。
呼吸临界氧值可用尾气O2含量变化和通气量测定， 也可用溶氧电极测定。
r QO2 X
P188
①微生物本身遗传特征：不同种类耗氧量不同 ②培养基的成分和浓度：
培养基成分尤其是碳源对细胞耗氧影响大， 耗氧由大 到小：油质或烃类>G>蔗糖>乳糖 培养基浓度大，耗氧增加 培养液营养丰富，菌体生长快，耗氧量大； 发酵浓度高，耗氧量大； 发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄取量随着增大。
氧浓度有明显作用；当转速很高时，再增大搅拌速度起不到调 节作用，反而打碎菌丝体，使菌体自溶并减少产量。
（3）改变气体组成中的氧分压 （4）改变罐压：提高C*。不是十分有效 （5）改变发酵液的理化性质：如加消沫剂、补加无菌水、
改变培养基的成分等
（6）加入传氧中间介质：一般是不溶于培养液的液体，
呈乳化状态来提高气液相之间的传递。传氧中间介质有：血红 蛋白、烃类碳氢化合物（煤油、石蜡等）、含氟碳化物。
微生物的“需氧” 可用耗氧速率或呼吸强度来表示： 耗氧速率（oxygen uptake rate)：指单位体积的培 养液在单位时间的耗氧量。单位为 mmol O2/(L· h)， 用 r表示或OUR 呼吸强度（respiratory strength)：单位质量的干菌 体在单位时间的耗氧量。单位为 mmol O2/(g · 干细 胞 · ，用Ｑo2表示 h) 两者的关系：
各种溶氧控制方法的比较
方法 气体成分 搅拌速度 挡板 通气速率 温度 基质浓度 罐压 电解生产氧 传氧中间介质 作用机理 C*变化 KLa变化 KLa变化 KLa变化 C*、氧需求变 化 氧需求变化 C*变化 C*变化 KLa变化 投资 中到低 高 中 低 低 中 中到高 中 中 运转 成本 高 低 低 低 低 低 低 低 中 效果 好 好 好 中 变化 好 中 高 好 对生产 作用 好 好 好 不定 不定 不定 好 小规模 好
发酵液中的溶氧浓度取决于氧的传递（即供氧方面） 和被微生物利用（即耗氧方面）两个方面。 氧的传递方程 NV ＝KLa(c*－cL) 式中：NV —— 单位体积液体的传氧速率； KLa —— 以浓度差为推动力的体积溶氧系数； cL —— 溶液中氧的实际浓度； c* —— 氧在水中的饱和浓度。
1、影响氧传递的因素
传递面积，而当通气量增大时，单孔分布器能
更大的增加发酵液的湍动程度。
④发酵液的性质
发酵液的性质特别是黏度、pH、极性、表面张 力、离子浓度、菌体浓度等，都会影响气泡的大小、 稳定性和氧的传递速率。 黏度增大，KLa下降； 泡沫过多，黏度增加，KLa下降； 表面活性剂（如消泡剂）使KLa下降； 离子强度大使KLa增加； 菌体浓度增加使KLa下降。 发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体或 无菌水、消泡剂等均可改变培养液的理化性质。
微生物的临界氧浓 度大约是饱和浓度 的1%~25%。
某些微生物的临界氧浓度
微生物名称
固氮菌 大肠杆菌 大肠杆菌 粘性赛氏杆菌 粘性赛氏杆菌 酵母 酵母 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度/℃
30 37.8 15 31 30 34.8 20 24 30
C临界/ mmol/L
1.8～4.9×10-2 8.2×10-3 3.1 ×10-3 1.5 ×10-2 9 ×10-3 4.6×10-3 3.7×10-3 2.2 ×10-2 9×10-3
不同种类的微生物的需氧量不同 ，一般为25～100 mmolO2/（L· h），同一种微生物的需氧量，随菌龄 和培养条件不同而异。菌体生长和形成代谢产物时的 耗氧量也往往不同。
微生物菌体在不同时期不同阶段的耗氧速度[ mmolO2/（L· h）]
生长
黑曲霉
谷氨酸 生产菌
产α-淀粉酶
种子培养 7h
温度
溶氧与尾气O2 及CO2水平
恒温或阶段变温控制
按生长或产物合成的临界 值控制
培养基的 性能
消泡剂或油
表面活性剂
种类、数量、次数和时机
种类、数量、次数和时机
3 控制溶氧的工艺手段
（1）改变通气速率（增大通风量）：增大KLa值。注意，
过分增大通气速率会产生副作用，如泡沫生成、罐温增高等。
（2）改变搅拌速度：转速较低时，增大搅拌速度对提高溶
（1）影响推动力(c*－cL)的因素 ①温度：温度升高，氧的溶解度降低 可在不影响菌体生长和产物合成情况下， 采取降低温度的措施。
②pH：氧在酸性溶液中的溶解度一般表现为酸的强 度大、浓度高，则氧溶解度低。 ③电解质浓度：电解质浓度大，氧的溶解度低
④溶剂：氧在有机溶剂中的溶解度比水中大。 实际发酵过程中也可通过合理添加有机溶剂来降 低水的极性从而增加氧的溶解度。 ⑤氧分压：增加分压可提高氧的溶解度。方法一是 提高空气总压，方法二是提高氧分压。
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。
影响摇瓶kla的因素
为装液量和摇瓶机的种类
往复，频率80-120分/次，振幅8cm
摇瓶机 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
与氧传质有关的工程参数
项目 搅拌器 设备条件 类型；封闭或开放式 叶片形状；弯叶、平叶或箭叶 搅拌器直径/罐直径 挡板数和挡板宽度 搅拌器档数和位置 每分钟体积比[(V/V)/min] 空气分布器的类型和位置 项目 搅拌转速 设备条件 雷诺准数 “K”因子 功率准数 弗罗德准数
空气流量
罐压
Pa
2、影响微生物耗氧的因素
② 空气线速度 KL a 随空气流速的增加而增大，但空气速度 过大，则可使叶轮发生过载，即叶轮不能分 散空气，气体不经分散而沿搅拌器缓慢运动 的中心迅速上升而逸出。
③ 空气分布速度很低时，多孔分布器有较高的通气 效率。但两者的区别随着气流速度的增加而逐 渐减少。 可能是低气流时多孔分布器可形成更大的
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 酶活力 30 ml 713 60ml 734 90ml 253 120ml 92
（2）发酵罐中影响KLa的因素
①搅拌 作用：打散气泡，增大气液接触面； 形成涡流，延长气泡在液体中停留时间； 形成湍流，减小气泡外的液膜阻力； 避免菌丝结团，减少菌丝团阻力； 使培养液中的成分分布均匀，细胞均匀悬浮，有利于营 养物的吸收和代谢物的分散。 但是搅拌转速并非越大越好，过度强烈的搅拌会有 很多不利作用。
一 临界氧
发酵生产中用空气饱和度百分数来表示溶 氧浓度。 临界氧浓度：不影响呼吸所允许的最低溶 氧浓度，如对产物而言，便是不影响产物 合成所允许的最低浓度。
各种微生物的呼吸强度 是不同的，并且呼吸强度是 随着培养液中溶解氧浓度的 增加而加强，直至达到一个 临界值为止。这个临界值称 为“临界氧浓度”。
第六节 溶氧(DO)对发酵的影响及控制
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。
（二）、溶氧异常的原因
1、引起溶氧异常下降的可能原因
（1）污染好气性杂菌，消耗大量溶氧，使溶氧 在短时间内下降到零附近
（2）菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加， 使溶氧下降 （3）某些设备或工艺控制发生故障或变化，也 能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌 转速变慢、消沫油因自动加油器失灵或人为加 量过多 、停止搅拌、闷罐（关闭排气阀）等。
二 发酵过程中的溶氧变化
（一）、发酵过程中溶氧浓度变化的一般规律
发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅 度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降 发酵中期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响， 如补料的数量、时机和方式等
发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也 会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升
③菌龄：幼龄菌生长旺盛，耗氧大 ④发酵条件：pH、温度 ⑤代谢类型： 若产物通过TCA循环获取，则耗氧大；若 产物通过EMP途径获取，则耗氧量小
影响需氧的工艺条件
项目 菌种特性 工艺条件 好气程度 菌龄、数量 菌的聚集状态，絮状或 小球状 基础培养基组成、配比 物理性质；粘度、表面 张力等 项目 补料或加糖 工艺条件 配方、方式、次数和时机
2、引起溶氧异常上升的可能原因： （1）污染烈性噬菌体 （2）菌体代谢出现异常，耗氧能力下降 （3）补料时间和间隔不当：赤霉素发酵发酸现
象
根据发酵液中的溶解氧浓度的变化来判断 微生物生长代谢是否正常，工艺控制是否合理， 设备供氧能力是否充足等问题，有助于查找发 酵不正常的原因和控制好发酵生产。
（三） 溶氧浓度的控制