溶氧对发酵的影响及控制
总述：溶氧（DO）是需氧微生物生长所必须，发酵过程中有多方面的因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。发酵液中的溶氧浓度对微生物的生长和产物形成有着重要的影响，在发酵液中溶氧的高低直接影响菌体的生长和代谢产物的积累，并最终决定着发酵产物产量的高低。根据对氧的需求，微生物可分为专性好氧微生物、兼性好氧微生物和专性厌氧微生物。以下则主要针对氧在好养微生物，需要微生物或兼性厌氧型微生物的一些影响。
1.溶氧在好氧微生物发酵过程的影响
溶氧是发酵中的营养和环境因素，不同发酵阶段的需氧量通常不同。根据溶氧策略对Alcaligenes.sp.NX-3 产威兰胶的发酵过程的影响（5）溶氧对好氧微生物发酵的影响主要分为两方面：是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，影响微生物生长代谢。二是在氧直接参与产物合成，且通过溶氧控制条件对深层灵芝发酵生产灵芝酸产量的影响溶氧是好氧性微生物生长发酵的重要工艺参数，对菌体生长和积累代谢产物都有较大影响，定着代谢产物产量的高低。溶氧过低，不利于菌体生长和代谢产物的积累，溶氧过高，只利于菌体大量生长，代谢产物的积累受到抑制，好氧微生物生长和代谢均需要氧气，此供氧必须满足微生物在不同阶段的需要，在不同的环境条件下，各种不同的微生物的吸氧量或呼吸强度是不同的。因此，对于好氧性微生物发酵，溶氧参数的控制尤为重要。而好氧微生物发酵过程中溶氧检测值受多种参数的影响，包括生物代谢过程本身，也包括外部补料、风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。可以针对不同的影响因素对发酵过程进行控制与调节。
2.溶氧在需氧菌或兼性厌氧菌微生物发酵过程的影响
需氧发酵并不是溶氧愈大愈好，溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。因此，发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。根据溶氧对氨基酸发酵的影响及控制（2）中可知发酵液中的氧（溶解氧）是菌体生长与代谢的必需品。氨基酸的发酵过程主要包括菌体生长和代谢产物积累2 个阶段，溶解氧在氨基酸发酵中的主要作用有两点：（1）参与氨基酸生物合成所必须的ATP，以完成生物氧化作用，并使菌体能够充分生长。（2）只有在氧的存在下，氨基酸的生物合成过程中产生的NAD（P）H2才能被氧化生成NAD（P），确保反应向合成氨基酸产物的方向进行。因此在氨基酸发酵过程中要保持一定的溶氧。
3.在传统的发酵控制优化方法的基础上提出新的发酵控制优化
通过溶氧对L－缬氨酸发酵过程的影响中（1）可知在传统的发酵控制优化方法中，通过过程参数优化环境条件及营养物质，使其适于细胞的生长和产物的生成，但未能掌握环境因子扰动下的细胞内代谢信息，使在优化过程中缺乏足够的依据。而代谢流分析通过对不同条件下细胞内代谢流分布的研究，提供了代谢网络中的流量分配信息，将各条件下细胞代谢信息量化，可弥补传统控制优化的缺陷。目前，代谢流分析方法已成功地用于部分氨基酸和有机酸的发酵控制优化[2].在细胞内代谢流分布的研究中采用了（1）斜面活化培养（2）种子培养（3）5L 发酵罐分批补料发酵的培养方法。与（1）菌体浓度测定（2）发酵液中氨基酸含量的测定（3）残糖和乳酸测定采用SBA－40C 生物传感仪测定。（4）溶氧及pH 值测L－缬氨酸生物合成代谢流平衡模型的建立等分析方法。研究了在5％、20％、35％和50％溶氧浓度下L－缬氨酸的分批补料发酵情况，得出当溶氧浓度为20％时平均耗糖速率最高，不利于糖酸转化率的提高；而溶氧浓度为5％时高产酸速率维持时间较长，有利于L－缬氨酸的积累。故从菌体生长期代谢流分布来看，20％的溶氧浓度有利于前期菌体生长。在中后期采用5%的溶氧浓度有利于维持较长时间。
4溶氧量的控制研究
在溶氧对氨基酸发酵的影响及控制中，在氨基酸微生物发酵中，对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内，以满足菌种不同生长时期的要求。其传递速率方程及需氧速率公式为：N=KLa（C*-CL）（其中：N———氧的传递速率[mmmol/（L·h）]，C*———溶液中溶解氧饱和浓度（mmol/L）
CL———溶液中溶解氧浓度（mmol/L），KL———以浓度差为推动力的氧传递系数（m/h）））得出对DO 值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面；而影响微生物需氧量的因素有：微生物种类、生长阶段、培养基组成、培养液中氧溶解浓度、CO2 浓度的影响。呼吸强度随溶解氧浓度的增加而增加， 当溶解浓度达到呼吸临界氧浓度时呼吸强度不再变化；临界氧浓度与微生物的种类、培养条件、生长阶段有关。则需（1）控制溶氧量（2）控制氧传递速率。
4．溶氧对高粘度发酵体系的影响
通过对威兰胶发酵的溶氧得出果发酵液中的溶氧浓度对菌生长速率影响不大，但对发酵过程稳定期的长短有显著影响; 溶氧越高，黄原胶持续合成的时间越长。通气量1 vvm 有利于威兰胶浓度的提高，过低或过高的通气量都会对发酵产生消极影响。
5.在发酵过程中溶氧浓度监测的意义
（1）考察工艺控制是否满足要求，在反应器中氧参与菌体的生长、产物的形成和维持细胞的代谢。氧是难溶于水的气体，在室温及常压条件下，纯氧的溶解度仅为36mg/L，空气中氧的溶解度仅为8mg/L。当水中溶有糖或其它盐类时，氧的溶解度则更低。在工业
发酵中产率是否受氧的，单凭通气量的大小是难以确定的。因溶解氧的高低不仅取决于供氧、通气搅拌等，还取决于需氧状况。故了解溶解氧是否够的最简便又有效的办法是就地监测发酵液中的溶解氧浓度。从溶解氧变化的情况可以了解氧的供需规律及其对生长和产物合成的影响。
（2）其他异常情况的表征，如染菌，噬菌体，设备和操作故障。了解发酵过程中溶解氧和其他参数间的关系，可以通过观察发酵溶解氧的异常变化，及时发现生产可能出现的问题，如某些操作故障或事故、中间补料是否得当、污染杂菌等，以便尽早采取措施补救。
（3）间接控制的操作，在发酵过程中进行溶解氧的控制，可以“按需供风”，调节不同发酵罐批不同发酵时段间的供氧水平，以达到节能降耗，降低生产成本之目的。
[参考文献]
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