发酵罐尾气分析怎么看？O?、CO?、CER与RQ的工程判断方法

在发酵过程中，pH、DO、温度和搅拌是最常用的在线参数。但在高密度培养、Fed-batch补料以及中试放大阶段，仅观察DO曲线，有时并不能完整反映细胞真实的呼吸和代谢变化。

已经有DO电极，为什么还要监测发酵罐尾气O?和CO?？

原因在于，DO主要反映培养液当前的溶氧状态，而尾气O?、CO?变化可以进一步帮助判断整个培养体系的耗氧、产CO?以及呼吸代谢变化。特别是DO采用搅拌、通气甚至纯氧级联控制后，即使DO一直维持在设定值，细胞实际氧需求仍可能持续上升。

因此，对于高密度微生物培养和工艺放大，DO与尾气分析结合，比单独观察DO更有工程价值。

一、发酵罐尾气O?和CO?怎么看？

正常空气进入发酵罐后，微生物在生长过程中持续消耗O?，同时产生CO?，因此尾气组成会随着培养状态发生变化。

一般情况下：尾气O?下降，说明体系耗氧增强；尾气CO?上升，通常意味着呼吸和碳代谢增强。

例如菌体进入快速生长期后，经常可以看到O?逐渐下降、CO?逐渐升高。

但不能只根据一个O?或CO?浓度直接判断代谢强弱，因为尾气结果还会受到通气量、氧气补充、罐压、进气组成以及水汽等因素影响。

所以，真正用于工艺分析时，需要把尾气浓度与气体流量、DO和控制参数结合起来判断。

二、OUR、CER和RQ分别有什么用？

当尾气O?、CO?数据与进出气体流量结合后，可以进一步分析几个常用过程参数。

OUR（Oxygen Uptake Rate）表示培养体系的耗氧速率，可以反映菌体实际氧需求变化。

CER（Carbon Dioxide Evolution Rate）表示CO?生成速率，可以辅助判断细胞呼吸及碳代谢活跃程度。

在采用一致摩尔基准后，还可以计算呼吸商：

RQ = CER / OUR

与单纯看DO不同，RQ反映的是CO?产生和O?消耗之间的相对关系，因此可以辅助观察培养过程中代谢状态是否发生变化。

这里需要特别注意：

RQ没有适用于所有菌种和工艺的统一“正常值”。

不同菌种、碳源和培养阶段都可能具有不同的RQ特征。工程上更有价值的是观察同一工艺过程中的趋势变化，而不是单独使用某个固定数值进行判断。

三、O?、CO?、OUR、CER和RQ曲线怎么判断？

实际发酵过程中，可以结合多条参数曲线交叉判断：

需要强调的是，这些变化通常不能单独作为工艺结论，而应结合菌体浓度、补料、DO以及离线检测结果共同分析。

四、DO正常，为什么仍可能存在氧传递压力？

例如某工艺将DO设定在30%。

培养前期菌体浓度较低，较低搅拌转速和通气量就可以保持DO稳定。

进入高密度阶段后，系统为了继续维持30% DO，可能已经自动：

提高搅拌转速 → 增加空气流量 → 提高O?比例。

最终DO曲线看起来仍然很稳定，但实际上设备已经在不断提高氧供应能力。

如果此时尾气O?持续下降、CO?持续增加，就说明培养体系的呼吸负荷仍在提高。

因此：

DO稳定 ≠ 氧需求没有变化。

这也是尾气分析在高密度培养中的重要价值。

五、尾气数据如何辅助判断补料时机和补料速率？

Fed-batch培养中，补料过慢可能造成底物不足，补料过快又可能增加氧需求和代谢负荷，甚至造成副产物积累。

加入尾气分析后，可以观察补料前后的代谢响应。

例如补料增加后：

        1、CER上升，说明碳代谢增强；

        2、OUR同步提高，说明细胞耗氧需求增加；

        3、如果氧需求不断增加，而搅拌、通气和供氧能力已经接近设备上限，就需要谨慎继续提高补料速度。

因此，尾气O?/CO?、OUR、CER和RQ更适合用于：

辅助判断当前补料时机及补料速率是否与菌体代谢和设备供氧能力匹配。

而不是单独依靠某一个RQ数值直接决定补料。

六、为什么中试放大更需要关注尾气分析？

从5L放大到50L、100L甚至500L后，混合时间、气液传质、kLa以及设备供氧能力都会发生变化。

即使实验室和中试阶段采用相同DO设定值，也不能简单认为细胞处于完全相同的代谢环境。

因此，中试发酵过程中如果能够同步记录：

DO + 尾气O?/CO? + 通气量 + 搅拌转速 + 补料量

就能更直观地比较放大前后的氧需求、代谢负荷以及设备氧传递能力变化，为工艺放大提供更多数据依据。

七、尾气分析系统配置需要注意什么？

用于发酵过程分析时，不能只增加一个CO?传感器。

还应关注：

气体流量：OUR和CER计算需要结合气体流量信息。

进气组成：如果使用Air、O?、N?或CO?混合气体，需要考虑实际进气比例变化。

水汽和冷凝：发酵尾气湿度较高，水汽可能影响分析稳定性，需要合理设计尾气处理。

数据同步：尾气数据最好与DO、pH、搅拌、通气和补料数据同步记录，便于后续进行工艺趋势分析。

结语

发酵罐尾气分析的价值，不只是检测尾气中有多少O?和CO?。

更重要的是通过：

尾气O?/CO? → OUR、CER → RQ → 代谢趋势判断

进一步了解培养体系的呼吸和代谢变化。

对于高密度微生物培养、Fed-batch补料以及5L向50L、100L、500L的中试放大，尾气分析与DO、通气、搅拌及补料数据结合，可以为氧传递判断、补料策略优化和工艺放大提供更完整的数据支持。

上海顾信生物发酵系统可根据工艺需求扩展尾气O?/CO?监测，并与pH、DO、气体控制、补料及PLC数据记录系统进行集成，为实验室研发及中试发酵过程提供在线监测方案。