• 从发酵液的溶解氧浓度变化可以了解：
1.微生物生长代谢是否正常； 2.工艺控制是否合理； 3.设备供氧能力是否充足
（二）溶解氧的检测方法
• 目前测定发酵液中的溶解氧主要采用复 膜式电极测定法。 复膜式电极有由置于碱性电解质中的银阴
极和铅阳极组成的原电池型，以及由管状
银阳极、铂丝阳极、氯化钾电解液及极化
鲢鱼 鲫鱼
27 29
0.01-0.02 0.004
4-8% 2%
三、影响需氧的因素
r= QO2 .X

菌体浓度

Q O2
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
二、溶解氧浓度对产物形成的影响
• 与微生物生长有一临界溶解氧浓度 类似，微生物产物的合成也有一最 低的溶氧浓度，称为产物合成临界 氧浓度。
• 安装方便 • 可实现溶解氧的在线连续测定 • 有利于发酵过程的优化和控制
• 性能稳定
• 耐高温
• 使用寿命长
要能耐高压蒸汽灭菌！
逐步下降
• 因此，在通过检测发酵过程溶解氧 的变化从而了解菌体对氧需求规律 的基础上，通过控制措施可使整个
发酵过程的不同阶段溶解氧浓度保
持在最适水平。
2.溶解氧作为发酵异常情况的指示
发酵过程中，出现异常变化的
原因：耗氧或供氧出现了异常因素 或发生了障碍
溶氧异常下降的原因有哪些？
• 污染好气性杂菌
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
一 溶解氧浓度对发酵的影响
1.溶解氧对微生物生长的影响 （氧的重要性）
比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内 单位重量的干菌体所消耗的氧气，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
• 微生物对氧的需求
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.
• 微生物对氧的需求
X指发酵液的菌体浓度，单位为（g干菌体/L）
• 微生物对氧的需求
QO2
CCr
CL
CCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。
当发酵液中的溶解氧浓度低于此临界氧 浓度时，微生物的耗氧速率将随着溶解 氧浓度降低而很快下降，此时溶解氧是 微生物生长的限制因素，改善供氧对微 生物生长有利。 当发酵液中的溶解氧浓度高于此临界氧 浓度时，微生物的耗氧速率并不随着溶 解氧浓度的升高而上升，而是保持基本 的恒定，对微生物的生长有利。
（一）供氧方面考虑
• 微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中的 氧气不断的溶解于培养液中，这种气态的 氧转变成溶解态的氧的速度，可以用下式 表示： N = KLa∙(C*-CL) •式中： N-单位时间内培养液氧浓度的变化 C*-在罐内氧分压下培养液中氧的饱和浓度 CL-发酵液主流中氧浓度 KL-氧传质系数 a-比表面积，即单位体积溶液所含的气液 接触面积
• 菌体代谢发生异常现象 • 某些设备或工艺控制发生
故障或变化
溶氧异常升高的原因有哪些？
• 在供氧条件没发生变化的情况下，耗氧量 的显著减少，会引起溶氧异常上升。 特别注意：是否污染烈性噬菌体 若污染了烈性噬菌体： 产生菌尚未裂解，呼吸就受到抑制→溶 氧明显上升
菌体破裂会完全失去呼吸能力→溶氧直 线上升
电源组成的极谱型。
• 这两种探头，产生的电流都正比于
通过膜扩散入探头的氧量，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。
• 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
张嗣良，中国生物工程杂志，2005
（二）从耗氧方面控制
• 微生物耗氧与微生物比生长速率呈
正相关，控制微生物营养物质的浓 度，从而控制其对样的需求量，在 设备供氧能力不足的情况下，是一 种常见的控制措施。
三、发酵过程中溶解氧检测的意义
（1）发酵过程中溶解氧检测的意义
1、检测溶氧作为发酵过程中氧是否足 够的度量，了解菌对氧的利用规律
1、影响C*-CL的因素及控制措施 （1）提高饱和溶氧浓度C*
影响氧在溶液中的饱和浓度的因素有：
温度 溶液的组成 氧分压
• 温度：菌的生理特性及产物需要，
不容易改
• 降低基质浓度：中间补料或者发
酵后期补入部分灭菌水
• 提高氧分压：提高发酵罐压力或
者加大通入空气中氧的含量
（2）降低发酵液中的CL
• 可以通过减少通气量或降低搅
拌转速等方式来实现。
• 注意CL≥C临界，否则影响微生
物呼吸
2、影响KLa的因素及控制措施
（1）搅拌
搅拌能打碎气泡，增加气液接触面积，并 且气体螺旋式上升，延长了接触时间，从 而提高氧的溶解率。
搅拌使发酵液成湍流运动，增加了气泡的液膜厚度， 从而降低氧的传质阻力，而使KLa值增大。
最佳合成氧浓度与最适生长溶氧浓
度的关系？
二、发酵液溶解氧浓度的控制
• 从供氧方面控制
1、影响C*-CL的因素及控制措施 （1）提高饱和溶氧浓度C* （2）降低发酵液中的CL 2、影响KLa的因素及控制措施 （1）搅拌 （2）空气流速 （3）发酵液的理化性质 （4）空气分布器及发酵罐的结构
• 从耗氧方面控制
在发酵过程中，微生物的摄氧率与培养时间 及生物体浓度相关的。
在一定的发酵条件下，每种产物发酵的
溶氧浓度变化都有自身的规律。 • 发酵前期：菌体浓度低，处于生长状态，摄 氧不高； • 对数生长期：随着菌浓增高溶氧升高，并达
到峰值
• 产物合成期：摄氧水平相对较稳，会受补料、
消沫油的影响；
• 发酵后期：菌体衰老，营养物质消耗，摄氧
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。
注意：有些产物的形成和菌体最适的生长 条件，常常不一样：
生长 产物
头孢菌素 5%(相对于饱和浓度） >13% 卷须霉素 13% >8%
• 微生物对氧的需求
氧对鱼类的影响 品种 鲤鱼 测定水温 29 窒息点 （mmol/l) 0.09-0.01 相当于 4%
溶解氧对发酵的影响 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0.25mmol.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。
• 当多孔环状空气分布器的直径大于搅
拌器直径时，大量的空气未经搅拌器
分散即沿罐壁溢出液面，导致供氧效
果差。
• 当空气流速达到一定速度后，空气分
散主要靠搅拌器，可用单孔分布器，
并可以推动发酵液的湍动程度。
影响KLa的因素:
• 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; • 。。。。。。。
电位差记录议上便可直接使用。
• 复膜式氧电极实际测量的是氧的分压 而非氧的绝对浓度，一般测定时显示
的读数为饱和浓度分数。
• 使用前先标定电极，使其在发酵液被
饱和时输出的电流设定为100％，发
酵液氧浓度为零时设定为0，在测量
过程中氧以氧的饱和分数表示
• 此方法只是近似测量溶氧的方法。
复膜式氧电极的优点
搅拌使菌体分散均一，降低菌体表面的液膜阻力， 增加菌氧接触面而有利于氧的吸收。
改变搅拌速率对溶解氧的影响效果大，但搅拌剪切力不易过大。
（2）空气流速
当增加通风量时，空气线速度相应 增大，传质系数KLa相应增大，从而
增大溶氧 但过大的线速度，因搅拌来不及打散气 泡（“气泛”现象），几乎对溶氧的改 善不大。
因此要控制空气流量，使搅拌轴附 近液面没有大的气泡溢出
（3）发酵液的理化性质 影响KLa的理化性质主要有黏度、 泡沫等
• 发酵液的表观黏度越大，KLa越小 • 生成大量的泡沫，易于菌体形成乳 浊液，而影响溶氧，可以添加适当 的消泡剂。
• 但过多的消泡剂的聚集以及某些消 泡剂有毒性，都要注意
（4）空气分布器及发酵罐的结构