供氧能力是好氧发酵，特别是高密度发酵工艺优化、规模放大中最为重要的因素之一。氧限制也往往是最为制约发酵水平的最为重要的一个因素。在发酵罐中，我们可以通过调节搅拌、通气和罐压，甚至提供纯氧（富氧空气）来提高氧气的供给水平。但工艺开发，培养基优化是在摇瓶水平中进行的，上述策略就难以奏效。那么摇瓶和发酵罐供氧水平相差多少，摇瓶水平又该如何提高供氧能力呢？

1. 摇瓶和发酵罐供养水平比较

以体积氧传递系数 (kLa)作为放大依据进行发酵工艺放大是行之有效的方法。但对于高耗氧的菌种，这种方法或许就成为了陷阱。因此我们有必要搞清楚发酵罐和摇瓶之间的供氧水平差异到底有多大。

整体来看，普通摇瓶中的氧传递系数再200以内，而摇瓶增加挡板，能够有效提高氧传质系数。但是挡板摇瓶也有其缺点–容易起泡沫，液体飞溅，可能染菌，重复性差等问题。发酵罐中的氧传质系数能轻松达到400以上，对于大型发酵罐可能会更高。

带挡板的摇瓶和不带挡板的摇瓶有什么区别

2. 影响摇瓶氧传质系数的因素及应对策略

（1）摇瓶中氧传递机制

摇瓶中的氧传递属于“表面曝气”而非“深层鼓泡”。氧分子需克服多重阻力，最终进入细胞，过程大体可分为两步：

▶克服无菌纱布，封口膜等无菌屏障的氧传递。这是氧气从外界环境进入摇瓶内部的前置步骤。它遵循气体在多孔介质中的扩散原理，主要受无菌塞材质和透气性的影响。由以下公式可以看出，氧气通过无菌屏障进入内标的传质速率和封口膜的类型，内外氧分压和总压力有关系。

▶气-液相际传质，这是氧气从瓶内气相主体穿过气-液界面进入液相主体的核心控制步骤。它是整个传递链条中阻力最大、最关键的一步。

该公式与发酵罐的气-液传质公式原理类似，但根据摇瓶特点显式引入了绝对压力和氧溶解度。公式表明，摇瓶的最大氧传递容量取决于体积氧传递系数 (kLa)与传质驱动力（由绝对压力和氧溶解度决定）。其中，kLa主要受装液量、振荡频率、摇瓶内径和振荡直径等操作条件影响；而传质驱动力则受培养基成分（影响氧溶解度）和培养环境（决定绝对压力与气相氧分压）的影响。此外，封口膜类型通过限制瓶内外气体交换，也会影响气相主体中的氧分压。

▶最大氧传质速率

当培养基中的氧浓度为0时，可计算出最大氧传质速率。摇瓶培养时，菌体的最大摄氧速率大于最大氧传递速率时，就会限制生产水平。

（2）改善摇瓶氧传质系数的方法

振荡频率：增加转速可增加液膜面积、加快液膜更新速率、增加传质系数与比表面积。振荡频率贡献权重最大。在 750 rpm时，250 毫升摇瓶的体积氧传递系数可达650 每小时，较常规商用摇床 400 转每分钟的上限提升约50%。

装液量：降低装液量可显著增大比表面积。该参数指数为-0.83。250 毫升摇瓶中 10 毫升装液量的最大氧传递容量远高于 50 毫升。

摇瓶最大内径：增加瓶径可增加液体铺展面积与瓶壁液膜面积。其指数为1.92，理论影响很大，但在实际实验中通常因通量需求而不可自由调节。

振荡直径：增加振荡直径会增加液体所受离心力，从而改变液体分布。其指数仅0.38，影响相对较弱。在高转速下，较小振荡直径（如 25 毫米）在相同离心力下供氧反而优于 50 毫米。

培养基渗透压：增加盐浓度会降低氧溶解度，从而降低传质驱动力。渗透压的指数在-0.05 至 -0.12之间，表明高盐培养基对供氧有轻度负面影响。

相态条件：“异相”现象会导致混合不均、体积氧传递系数骤降。控制相位值大于 1.26且轴向弗劳德数大于 0.4。

同相 (In-Phase)：液体与摇瓶运动同步。液体能随瓶子的转动被稳定地“抛”向瓶壁，形成大面积、快速更新的薄液膜，使混合充分、氧传递效率最大化。这是我们进行实验时希望的状态。

异相 (Out-of-Phase)：液体与摇瓶运动脱节。当转速不足、装液量过多或培养液变得粘稠时，液体主体会跟不上瓶子的转动，滞留在底部剧烈晃动。这导致无法形成有效液膜，混合和氧传递效率随之急剧下降。

无菌塞类型：透气性不足的无菌塞会人为制造氧传递瓶颈。推荐使用棉塞或透气硅胶塞，并明确应避免使用铝箔或封口膜。