溶氧对发酵的影响及其控制
The dissolved oxygen concentration in the fermentation broth
(Dissolved Oxygen, referred to as DO) is the key factor to influence the fermentation, has an important influence on microbial growth and product formation. According to the demand of dissolution characteristics and microbial oxygen on oxygen, analysis of the effects of dissolved oxygen on the fermentation and the effect on fermentation, and then determine the control of dissolved oxygen in the fermentation broth and transfer, the maximum production efficiency.
Compared with normal PID controller, the new controller is of small overshoot and quick response, improved stability of the system and increase the yield of products. Study the influence of dissolved oxygen and controlling the fermentation to improve production efficiency, improve product quality, etc. are important.
溶氧浓度（DO）作为发酵控制中的一个关键参数，直接影响着发酵生产的稳定性和生产成本，受到工业生产和实验室研究的重视，无论是厌氧还是需氧发酵，研究发酵液中溶氧对发酵的影响都有重要意义。
一、氧的溶解特性
溶解氧（Dissolved Oxygen）是指溶解于水中分子状态的氧，用DO 表示。氧是一种难溶气体，在常压、25℃的条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度仅约为0.25mmol/L，在发酵液中，由于各种溶解的营养成分、无机盐和微生物的代谢产物存在，会明显降低氧的溶解度。此外，溶氧浓度会随着温度、气压、盐分的变化而变化。一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。
微生物反应一般是在液相中进行的，只有溶解在溶液中的氧气才能够被微生物所摄取。空气经过除菌后进入反应器，呈现为一个个在培养基中上升的小气泡，整个生化反应系统应该视为非均相系统，氧气的摄取存在着一个从气相到液相的过程，然后以溶解态氧的形式从气泡传递到细胞。
二、影响微生物需氧量的因素
在需氧微生物发酵过程中影响微生物需氧量的因素很多，除了和菌体本身的遗转特性有关外，还和下列一些因素有关： 1．培养基
培养基的成分和浓度对产生菌的需氧量的影响是显著的。培养基中碳源的种类和浓度对微生物的需氧量的影响尤其显著。一般来说，碳源在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。在补料分批发酵过程中，菌种的需氧量随补入的碳源浓度而变化，一般补料后，摄氧率均呈现不同程度的增大。 2、菌龄及细胞浓度
不同的生产菌种，其需氧量各异。同一菌种的不同生长阶段，其需氧量也不同。—般说，菌体处于对数生长阶段的呼吸强度较高，生长阶段的摄氧率大于产物合成期的摄氧率。在分批发酵过程中，摄氧率在对数期后期达到最大值。因此认为培养液的摄氧率达最高时，表明培养液中菌体浓度达到了最大值。 3、培养液中溶解氧浓度的影响
在发酵过程中，培养液中的溶解氧浓度(CL)高于菌体生长的临界氧浓度(C长临)时，菌体的呼吸就不受影响，菌体的各种代谢活动不受干扰；如果培养液中的CL低于C长临时，菌体的多种生化代谢就要受到影响，严重时会产生不可逆的抑制菌体生长和产物合成的现象。 4、培养条件
若干实验表明，微生物呼吸强度的临界值除受到培养基组成的影响外，还与培养液的pH、温度等培养条件相关。一般说，温度愈高，营养成分愈丰富，其呼吸强度的临界值也相应增高。 5、有毒产物的形成及积累
在发酵过程中，有时会产生一些对菌体生长有毒性的如CO2等代谢产物，如不能及时从培养液中排除，势必影响菌体的呼吸，进而影响菌体的代谢活动。 6、挥发性中间产物的损失
在糖代谢过程中，有时会产生一些挥发性的有机酸，它们随着大量通气而损失，从而影响菌体的呼吸代谢。
三、溶氧对发酵产物的影响
对于好氧发酵来说，溶解氧通常既是营养因素，又是环境因素。特别是对于具有一定氧化还原性质的代谢产物的生产来说，DO的改变势必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同时也会对细胞生长和产物的形成产生影响。 在黄原胶发酵中，虽然发酵液中的溶氧浓度对菌体生长速率影响不大,但是对菌体浓度达到最大之后的菌体的稳定期的长短及产品质量却有着明显的影响[1]。
需氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖性。谷氨酸发酵中，高溶氧条件下乳酸脱氢酶(LDH)活性明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低，产酸中后期谷氨酸脱氢酶(GDH)的酶活下降很快,这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减[2]。
DO值的高低还会改变微生物代谢途径，以致改变发酵环境甚至使目标产物发生偏离。研究表明，L-异亮氨酸的代谢流量与溶氧浓度有密切关系，可以通过控制不同时期的溶氧来改变发酵过程中的代谢流分布,从而改变Ile等氨基酸合成的代谢流量[3]。
四、溶氧量的控制
对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定在一定的期望值或范围内。在微生物发酵过程中，溶解氧浓度与其他过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理、化学和微生物因素的影响和制约。氧的传递速率也可看出，对DO 值的控制主要集中在氧的溶解和传递2 个方面。 （1）控制溶氧量
（C*-CL）是氧溶解的推动力，控制溶氧量首要因素是控制氧分压（C*）。高
密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。如啤酒发酵中麦汁充氧和酵母接种阶段，一般 要求氧含量达到8mg/L~10mg/L；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2mg/L。此外，由于氧是难溶气体，在一定温度和压力下，DO值有一上限。为此，向发酵液中加入氧载体是提高DO 值的有效方法。实验表明，在发酵基质中添加5%正十二烷，可明显提高发酵介质中的溶氧水平，改善供氧条件，维持溶氧的相对稳定，增加菌体浓度，提高L- 天冬酞胺酶发酵水平（21%左右），虽然氧在发酵液中溶解度很低，但在发酵中并不需要使溶氧浓度达到或接近饱和值，只需超过某一临界值即可。临界氧是指不影响呼吸允许的最低溶氧浓度。因此，在好氧发酵中，将溶氧水平控制在临界值以上，既可避免因供氧不足发生的代谢异常，也可避免过度供氧操作引起的能量消耗和对细胞可能的伤害。 （2） 控制氧传递速率
发酵液中供氧能力的基本因素是氧的传递速率。氧由空气溶解到水中，再传递到菌体细胞表面，最终进入细胞内被利用。在此过程中，氧的传递阻力主要有气膜阻力、液膜阻力、细胞膜传质阻力等（见附图）。因此，在同等推动力（浓度差）情况下，根据情况减少对应阻力可显著提高传质速率。如对于自吸式发酵罐，发酵液中气泡密集且碎小，此时气膜阻力很小，氧的传递阻力主要为液膜阻力。
发酵液中的氧含量对菌体生长和产物形成都有着重要的影响，溶氧量的控制主要从氧的溶解和传递两个方面考虑。随着计算机和自动化技术的发展，发酵工业中从DO 的测量到分析控制都正逐步走向自动及控制一体化模式，研究利用DO 作为补料的在线控制信号将大大提高了发酵的准确性和自动化性能。
参考文献
[1]林剑,郑舒文,徐世艾.搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响[J].中国食品添加剂，2004（2）：63-65
[2]郜培,陆静波等.溶氧浓度对谷氨酸发酵关键酶的影响[J].食品与发酵工食品与发酵工业,2005(31):72-75
[3]冯旭川. 溶氧测量在双丙氨磷（HB）生产中的应用[J]. 食品与发酵工 业，2007，33（9）：174-175.
