溶氧是指溶解在液体中的氧气。一般而言氧气不容易溶解，25℃的大气压力条件下，氧气溶解在水中的浓度大约只有 0.25mmol/L。发酵过程中的发酵液以及微生物的代谢产物都可以明显降低氧的溶解度。一般而言氧的溶解度随温度和压力的升高而增大。DO为微生物发酵控制中的一个重要参数，直接影响着发酵生产的稳定性和生产成本。控制发酵液DO一方面可以改善微生物的生长代谢环境，有效促进发酵过程中有益代谢产物的积累，另一方面还可以起到节能降耗的作用，对企业的生产意义重大。尤其是高密度发酵，改善发酵液的溶氧状况更是促进产物合成的关键因素。

1.电极的工作原理

采用极谱（Polargrafic)型电极作为溶氧电极，其阳极为Ag/AgCl、阴极为铂金（Pt），两者之间充满电解液，然后由硅橡胶渗透膜包裹于电极四周。其原理（如下所示）为测量时，电极间加上一恒定的极化电压，O₂通过渗透性膜从发液扩散到电解液中，O₂在阴极被还原时会产生可检测的电流，电流的大小与O₂到达阴极的速率成比例。需要指出的是阴极检测到的实际上是O₂到达阴极的速率，这又与O₂到达膜外表面的速率、跨膜传递的速率以及O₂从内膜表面传递到阴极的速率有关。假设溶氧电极内的所有动态效应都被忽略，那么O₂到达阴极的速率就与O₂跨膜扩散速率（与O₂从发酵液扩散到膜表面的速率相等）成正比，而O₂从发酵液扩散到膜表面的速率与O₂总浓度驱动力成比例。假定膜内表面的氧浓度可以有效地降为零，则O₂跨膜扩散速率仅与发酵液中的溶氧浓度成正比，从而使电极测得的电信号与发酵液中的溶氧浓度成正比，然后经过一系列变换，得到氧浓度或氧含量。

溶氧电极的工作原理

2.影响溶氧浓度的因素

一般情况下，对发酵液溶氧浓度影响较大的物理参数有：发酵罐的通气量、搅拌速度、发酵罐温度、压力等。

2.1发酵罐通气量的影响

发酵罐通气量的影响是最直接的。影响溶氧浓度最主要的因素是进入发酵罐中无菌空气（或是纯氧）的量。因为在发酵过程中，随着微生物的快速生长进入对数增长期，菌体耗氧量明显增多，这时如果终止进气的补给，发酵液中的氧将很快被微生物耗尽。在工业生产中通常在进气管路上安装阀门来对通气量进行调节。

2.2搅拌速度的影响

对溶氧电极本身来说，其在工作中会消耗掉大量的氧。溶氧电极的信号与氧渗透隔膜向电极表面传递的速率成比例，而氧的传递速率则由氧的跨膜扩散速率来控制。氧的跨膜扩散速率与氧溶解在发酵液中的浓度成比例，其比值取决于总的传质过程。其中氧的跨膜扩散过程是整个传质过程的限速过程。在发酵操作时，适当的搅拌操作可以获得较好的跨膜扩散速率，从而使电极响应的信号较佳，获得比较准的读数。另外，搅拌通过 防止气泡聚集；使液体形成湍流，增加气液接触时间；将空气通过搅拌桨叶端的高速剪切力破碎成小气泡，从而明显增大有效气液传递面积来增加发酵液中的溶氧浓度。需要强调的是，在对溶氧电极进行最初斜率（溶氧量100%）校准之前，必须对发酵罐进行搅拌。

2.3温度的影响

溶氧电极的信号随温度的升高而显著增强，这主要是由于温度对氧的跨膜扩散速率的影响。发酵过程中需要控制发酵罐的温度，因为即使 0.5℃左右的温度变化，也会使电极信号发生显著变化（超过1%）。有文献报道当发酵液温度在30℃附近时，温度变化引起的溶氧电极测量值的偏差大约为3%/℃。溶氧示数的周期性变化（每隔几分钟观察1次）反映了温度变化的影响，而且较大的温度波动能引起校准时的较大漂移。因此在发酵过程中改变温度时要格外小心。在设置发酵罐的操作温度之前，需要对溶氧电极进行标定。基于上述影响因素的存在，一些溶氧电极（如梅特勒溶氧电极）自带有温度传感器等仪表，以实现温度的自动补偿。此外，对于具有计算机监控的发酵罐，可利用来自独立的温度传感器的信号，由相关软件实现温度补偿。
2.4压力的影响

在微生物发酵过程中，微生物的各种生化反应一般是在液相中进行的，只有溶解在发酵液中的氧才能被微生物所摄取。当无菌空气进入发酵罐之后，表现为一个个在发酵液中自下往上升的小气泡，把整个发酵反应系统看作是非均相系统，那么氧的摄取存在着一个从气相到液相的过程，进而以溶解态氧的形式从气泡传递给微生物。因此，Stanbury PF 等提出了溶液中氧平衡时的动态方程为：

dC/dt=K La（C^*-C）－OUR （1）；

式中：dC/dt——溶液中中氧的传质速率；
C——溶液中氧的浓度（mol/L）；

C*——饱和溶氧浓度（mol/L），

K La——体积氧传递系数（h-1）；
OUR——微 生物摄氧率 （mol/L），其中 （C*－C）
为氧从气相传递到溶液的推动力。
又根据Henry定律：
P=H×C （2）；

式中：P——氧分压；
H——亨利常数；
C——氧溶解在溶液中的浓度。
由式（1）、式（2）可认为（C*－C）与（P*－P）成正相关。

对溶氧电极来说，在稳态的情况下，电极的输出电流（相对电流）与溶液中氧的活度或与之平衡的气相中氧的分压成正比。电极读数通常表示为大气压下空气的饱和度（%），100%的溶氧张力约相当于160mmHg（1mmHg≈133Pa）的氧分压。如果发酵液的平衡气体总压发生变化，即使气体组分未发生变化（因为氧分压会成比例的改变），也会改变溶氧电极的读数。如果达到平衡，电极的信号可由下式确定：

PO=n×PT （3）；

式中：PO——电极测得的氧分压；

n——氧在无菌空气中的体积分数或摩尔分数；
PT——总压。

因此发酵液中的气泡压力的改变会影响溶氧张力，进而影响电极读数。在发酵罐中，发酵液静止时的压力不会显著地影响气泡压力，但压头的改变则会对其产生显著性的影响。一般当外界空气进入空气过滤器或管路引起的压降可产生 7000Pa左右的压头，这足以使电极信号上升7%。在发酵过程中，大气压的变化也会引起读数变化，甚至在正常天气情况下，读数变化可高达5%。

考虑到压力的上述影响， 可采用下列方法对溶氧电极进行校准。在大气压下对电极进行校准。

这种情况下，发酵操作中可能会获得超过 100%的溶氧张力值。这并不意味着发酵液中的空气处于过饱和状态，只是说明供气压力上升导致氧分压超过用于校准的氧分压；在设定的操作压力下对电极进行校准。此时100%的读数表示发酵液相对于大气组分处于过饱和状态； 根据氧分压或溶氧浓度给出所有结果，基于校准条件下的计算值进行校准，这些是影响电极响应的最直接的参数。

3.溶氧浓度的主要调控措施

调控溶氧浓度主要就是为了使发酵液维持在适宜的环境下，以便微生物正常生长从而起到发酵作用，获得高质量高产量代谢物。一般调控需要参考溶氧浓度的测量值、氧气含量检测值，微生物发酵速度值以及当前大气压、温度等具体数据信息。而真正微生物发酵溶氧浓度测量时，结构非常复杂，既受到外部环境的影响还有内部的微生物等因素。可以从以下３个方面进行调控。

3.1配制合理的氧气溶解度

一般控制溶氧浓度的直接方法是合理控制氧气通气量，通过气压传递到溶液里面。在微生物发酵初期,因为菌体密度大，需要大量氧气进行发酵，可以减少瓶装溶液量或者加快搅拌和转速,速度越快氧气通入的也越多。不同的菌体发酵也有不同的方法,比如高密度培养需要通入纯氧，而厌氧型发酵所需氧含量不高，则要降低。生活中的啤酒发酵就属于厌氧型发酵。而且，由于氧气是难溶性气体，需要控制合理的压力和温度才能使溶氧浓度最大，在近几年的微生物研究中表明溶氧对L一天冬酞胺酶发酵的影响及其控制中，采用在发酵液中添加氧载体(5%正十二烷)的方式来增加DO，提高L-天冬胺酶的发酵水平（21%左右）。

3.2调节氧气的跨膜传递速率

氧气在进行跨膜传递时对电动机的搅拌速度、空气流速、消泡剂、发酵液成分及理化性质、发酵液温度等有重要的关系，当适当的调节控制好搅拌速度、控制流速、以及适宜的温度时,可以加快氧气跨膜传递的速率，从而促进微生物发酵的效率。另外，消泡剂有一定的辅助功能，可以适当的降低发酵中产生的泡沫，而这些泡沫会阻碍氧气的正常运输。

3.3合理控制微生物摄入的氧气量

微生物在进行摄氧时,与微生物的种类、微生物的生长状态、接种量感染杂菌等因素有关，比如需氧型微生物发酵时如果接种量、耗氧量、以及摄氧率都非常的高，将严重影响到溶氧浓度的反映。在特殊情况下溶氧浓度反映越剧烈，发酵液的pH值波动越大，则表示发酵液已经被杂菌感染。

总结：

在发酵过程中，DO对微生物生长及代谢产物的形成有着重要的影响。基于这点，DO的控制是微生物发酵的优劣乃至成败的关键。DO的控制主要从氧的溶解、氧的跨膜传递速率和微生物的摄氧率三个方面考虑。发酵过程中DO的控制是一个动态的过程，要根据实际的发酵情况，再配合使用各种调节手段以使发酵液中的 DO 处于合适水平。

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