從呼吸強度到Monod方程：掌握好氧發酵的供氧邏輯與系統構建
氧是好氧微生物發酵中驅動呼吸鏈產生能量的關鍵電子受體，也是部分生物合成反應的直接參與者。
1.氧在微生物發酵中的作用
氧是構成微生物細胞本身及其代謝產物的重要組分之一。雖然培養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末端的電子受體，最后與氫離子結合成水，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）無法有效產生。微生物生長和產物合成（如抗生素、酶、有機酸等）會受限，甚至導致菌體死亡或代謝轉向厭氧途徑。
此外，氧還可以作為中間體直接參與一些生物合成反應，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，在水中溶解度很小，在含有大量營養基質的培養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。發酵液中因含有大量的有機物和無機鹽，由于鹽析等作用造成氧在發酵液中的溶解度更低，一般約為0.21mol/m3。而好氧發酵液中的細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？是因為微生物細胞是“浸泡”在水相環境中的，所有進出細胞的物質都必須通過細胞膜，而細胞膜只允許溶解在水中的、分子態的物質進行有效傳輸和利用。
在發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”到發酵液（水相）中，形成能被微生物利用的溶解氧。所以在工業發酵中，我們所有提高供氧效率的設備（攪拌槳、空氣分布器）和工藝優化（氣壓、流量），本質上都是在攻克 “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，常用呼吸強度和耗氧速率兩個參數來表征微生物的好氧特征。其中，呼吸強度是指單位質量干菌體在單位時間內所攝取的氧量，以Qo?表示。耗氧速率是指單位體積培養液在單位時間內的耗氧量，以γ表示，也稱為攝氧率。
由定義可知，呼吸強度實際上是指比耗氧速率。呼吸強度可以表示微生物的相對耗氧量，但當培養液中有固定成分存在不好測定菌體，導致測定Qo?有困難時，可采用耗氧速率來表示。
在工業發酵中，我們正是通過攝氧率（γ，耗氧速率） 來反推和調控空氣流量，以滿足生產需求。核心邏輯鏈是這樣的：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度受發酵液中的溶解氧濃度（CL）的影響，當發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，呼吸強度就會下降，微生物的生長繁殖和代謝產物合成都受到影響，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度的關系可用下圖表示：
（圖 臨界氧濃度與呼吸強度的關系圖示）
對于好氧菌而言，溶解氧肯定是限制性基質，呼吸強度或微生物比生長速率與發酵液中溶解氧濃度之間關系同樣滿足Monod方程：
式中，(Qo?)m—該微生物在特定發酵培養條件下獲得的最大呼吸強度；K?—微生物細胞對溶解氧的親和常數，其數值相當于呼吸強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，反映微生物細胞對氧的親和力。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。
該公式為我們科學地設定DO控制目標、理性分析生產問題、以及優化和放大工藝提供了一個堅實的定量框架和決策依據。
在工業發酵生產過程中，氧氣是啟動并維持細胞高效運行的核心能源與關鍵原料。理解氧在發酵中的雙重角色——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“反應底物”，是構建高效生產系統的認知基礎。
而微生物的好氧特征，特別是其呼吸強度與耗氧速率的動態變化，以及遵循 Monod方程 的響應規律，為整個供氧系統的設計與調控提供了精準的“藍圖”和“儀表盤”。這使我們能夠有：
1. 科學設計系統：依據微生物的耗氧高峰和臨界氧濃度，確定發酵罐攪拌、通氣等核心設備的規格與能力。
2. 實現精準控制：通過在線監測攝氧率（γ） 和溶解氧（DO），動態調節空氣流量與攪拌，確保供氧與耗氧實時匹配，既防止缺氧停產，又避免過度供氧的能源浪費。
3. 指導工藝優化：利用Monod方程等模型，找到最經濟的DO控制點，并作為工藝放大和故障診斷的理論依據。
因此，對氧的作用和微生物耗氧特征的深刻理解，有助于我們構建一個高效、穩定、經濟的工業發酵生產系統。這是實現產品工業化過程的重要認知知識及工藝基礎。
