從呼吸強(qiáng)度到Monod方程：掌握好氧發(fā)酵的供氧邏輯與系統(tǒng)構(gòu)建

氧是好氧微生物發(fā)酵中驅(qū)動呼吸鏈產(chǎn)生能量的關(guān)鍵電子受體，也是部分生物合成反應(yīng)的直接參與者。

1.氧在微生物發(fā)酵中的作用

       氧是構(gòu)成微生物細(xì)胞本身及其代謝產(chǎn)物的重要組分之一。雖然培養(yǎng)基中大量存在的水及其他成分（如糖）可以提供氧元素，但許多微生物細(xì)胞必須利用呼吸鏈的電子傳遞過程中的氧作為呼吸鏈電子傳遞系統(tǒng)末端的電子受體，最后與氫離子結(jié)合成水，同時在呼吸鏈的電子傳遞過程中可釋放出大量能量，供細(xì)胞生長和代謝使用。

       如果缺氧，末端電子受體缺失，呼吸鏈停止，能量（ATP）無法有效產(chǎn)生。微生物生長和產(chǎn)物合成（如抗生素、酶、有機(jī)酸等）會受限，甚至導(dǎo)致菌體死亡或代謝轉(zhuǎn)向厭氧途徑。

      此外，氧還可以作為中間體直接參與一些生物合成反應(yīng)，如乙醇在氧的參與下被催化合成乙酸：

      CH?CH?OH+O???CH?COOH

       氧作為一種難溶性基質(zhì)，在水中溶解度很小，在含有大量營養(yǎng)基質(zhì)的培養(yǎng)液中的溶解度就更小。一般來講，在25℃和1.0×10?Pa時，氧在水中的溶解度僅為0.25mol/m3左右，而且隨著溫度上升會不斷減小。發(fā)酵液中因含有大量的有機(jī)物和無機(jī)鹽，由于鹽析等作用造成氧在發(fā)酵液中的溶解度更低，一般約為0.21mol/m3。而好氧發(fā)酵液中的細(xì)胞對氧的需求卻很大，且只有溶解氧才能被微生物利用。

       為什么只有溶解氧才能被微生物利用？是因為微生物細(xì)胞是“浸泡”在水相環(huán)境中的，所有進(jìn)出細(xì)胞的物質(zhì)都必須通過細(xì)胞膜，而細(xì)胞膜只允許溶解在水中的、分子態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行有效傳輸和利用。

       在發(fā)酵罐中我們通入無菌空氣（氣相），目的不是為了把氣泡送給微生物，而是要通過攪拌、鼓泡等手段，盡可能快、盡可能多地將氣相中的氧“溶解”到發(fā)酵液（水相）中，形成能被微生物利用的溶解氧。所以在工業(yè)發(fā)酵中，我們所有提高供氧效率的設(shè)備（攪拌槳、空氣分布器）和工藝優(yōu)化（氣壓、流量），本質(zhì)上都是在攻克 “從氣相到液相” 這個溶解速率和溶解度的物理瓶頸。

2.微生物的耗氧特征

       微生物對氧的需求主要受菌體代謝活動變化的影響，常用呼吸強(qiáng)度和耗氧速率兩個參數(shù)來表征微生物的好氧特征。其中，呼吸強(qiáng)度是指單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)所攝取的氧量，以Qo?表示。耗氧速率是指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的耗氧量，以γ表示，也稱為攝氧率。

       由定義可知，呼吸強(qiáng)度實際上是指比耗氧速率。呼吸強(qiáng)度可以表示微生物的相對耗氧量，但當(dāng)培養(yǎng)液中有固定成分存在不好測定菌體，導(dǎo)致測定Qo?有困難時，可采用耗氧速率來表示。

      在工業(yè)發(fā)酵中，我們正是通過攝氧率（γ，耗氧速率） 來反推和調(diào)控空氣流量，以滿足生產(chǎn)需求。核心邏輯鏈?zhǔn)沁@樣的：微生物需求（γ） → 需氧量（O? Demand） → 供氧能力（OTR） → 所需空氣流量（Air Flow）。

        微生物菌體的呼吸強(qiáng)度受發(fā)酵液中的溶解氧濃度（CL）的影響，當(dāng)發(fā)酵液中的溶解氧濃度低于一定濃度時，好氧菌的呼吸就會受到抑制，呼吸強(qiáng)度就會下降，微生物的生長繁殖和代謝產(chǎn)物合成都受到影響，通常把這一限制性氧濃度定義為臨界氧濃度（Ccr）。臨界氧濃度與呼吸強(qiáng)度的關(guān)系可用下圖表示：

（圖 臨界氧濃度與呼吸強(qiáng)度的關(guān)系圖示）

       對于好氧菌而言，溶解氧肯定是限制性基質(zhì)，呼吸強(qiáng)度或微生物比生長速率與發(fā)酵液中溶解氧濃度之間關(guān)系同樣滿足Monod方程：

      式中，(Qo?)m—該微生物在特定發(fā)酵培養(yǎng)條件下獲得的最大呼吸強(qiáng)度；K?—微生物細(xì)胞對溶解氧的親和常數(shù)，其數(shù)值相當(dāng)于呼吸強(qiáng)度處于其最大值一半時的溶解氧濃度，因此也稱為半飽和常數(shù)，反映微生物細(xì)胞對氧的親和力。K?越大，表明微生物對氧的親和力越弱，耗能能力越差，Qo?越小。

      該公式為我們科學(xué)地設(shè)定DO控制目標(biāo)、理性分析生產(chǎn)問題、以及優(yōu)化和放大工藝提供了一個堅實的定量框架和決策依據(jù)。

       在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)過程中，氧氣是啟動并維持細(xì)胞高效運(yùn)行的核心能源與關(guān)鍵原料。理解氧在發(fā)酵中的雙重角色——既是呼吸鏈末端生成能量的“電子受體”，又是直接參與合成的“反應(yīng)底物”，是構(gòu)建高效生產(chǎn)系統(tǒng)的認(rèn)知基礎(chǔ)。

       而微生物的好氧特征，特別是其呼吸強(qiáng)度與耗氧速率的動態(tài)變化，以及遵循 Monod方程 的響應(yīng)規(guī)律，為整個供氧系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)控提供了精準(zhǔn)的“藍(lán)圖”和“儀表盤”。這使我們能夠有：

1. 科學(xué)設(shè)計系統(tǒng)：依據(jù)微生物的耗氧高峰和臨界氧濃度，確定發(fā)酵罐攪拌、通氣等核心設(shè)備的規(guī)格與能力。

2. 實現(xiàn)精準(zhǔn)控制：通過在線監(jiān)測攝氧率（γ） 和溶解氧（DO），動態(tài)調(diào)節(jié)空氣流量與攪拌，確保供氧與耗氧實時匹配，既防止缺氧停產(chǎn)，又避免過度供氧的能源浪費(fèi)。

3. 指導(dǎo)工藝優(yōu)化：利用Monod方程等模型，找到最經(jīng)濟(jì)的DO控制點(diǎn)，并作為工藝放大和故障診斷的理論依據(jù)。

       因此，對氧的作用和微生物耗氧特征的深刻理解，有助于我們構(gòu)建一個高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)系統(tǒng)。這是實現(xiàn)產(chǎn)品工業(yè)化過程的重要認(rèn)知知識及工藝基礎(chǔ)。