溶氧对发酵的影响及控制     摘要：发酵液中的溶氧浓度（Dissolved Oxygen ，简称DO）对微生物的生长和产物形成有着重要的影响。在发酵过程中，必须供给适量的无菌空气，菌体才能繁殖和积累所需代谢产物。不同菌种及不同发酵阶段的菌体的需氧量是不同的，发酵液的DO值直接影响微生物的酶的活性、代谢途径及产物产量。发酵过程中，氧的传质速率主要受发酵液中溶解氧的浓度和传递阻力影响。研究溶氧对发酵的影响及控制对提高生产效率，改善产品质量等都有重要意义。 

    关键词：溶氧 发酵 代谢 溶氧控制
    一、溶氧对发酵影响
    溶解氧对发酵的影响分为两方面：一是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，从而影响微生物生长；另一是氧直接参与产物合成。[1]
    （一）溶氧对微生物自身生长的影响
    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。专性好氧微生物把氧作为zui终电子受体，通过有氧呼吸获取能量，如霉菌；进行此类微生物发酵时一般应尽可能的提高溶解氧（DO），以促进微生物生长，增大菌体量。兼性好氧微生物的生长不一定需要氧，但如果在培养中供给氧，则菌体生长更好，如酵母菌；典型如乙醇发酵，对溶DO的控制分两个阶段，初始提供高DO值进行菌体扩大培养，后期严格控制DO进行厌氧发酵。厌氧和微好氧微生物能耐受坏境中的氧，但它们的生长并不需要氧，这些微生物在发酵生产中应用较少。而对于专性厌氧微生物，氧则可对其显示毒性，如产甲烷杆菌，此时能否限制DO在一个较低值往往成为发酵成败的关键。
    溶解氧对微生物自身生长的影响体现在多个方面，其中对微生物酶的影响是不可忽略的重要因素。Xiao等[2]研究了不同溶氧对谷氨酸发酵中两个关键酶（谷氨酸脱氢酶GDH和乳酸脱氢酶LDH）和代谢流的影响,研究表明,在过低溶氧条件下,TCA循环代谢流量减小,不足以平衡葡萄糖酵解速率,从而刺激了LDH的酶活,使代谢流转向乳酸生成,造成乳酸积累;而过高溶氧，GDH酶活明显降低,且TCA循环流量加大,生成大量CO2,造成碳源损失,两种情况均不利于谷氨酸生成。
    啤酒工业中，在啤酒的发酵阶段，酵母的繁殖需要有足够的氧气，在除此之外的任何阶段都应极力避免氧的参与。啤酒发酵液总含氧量由酒体溶解氧和瓶颈空气两部分组成，一般情况下，啤酒中的含氧量超过2PPM时对生产就有明显的危害。[3]因为氧气的存在会促使酵母采取有氧呼吸的代谢途径,从而破坏乙醇发酵的厌氧代谢过程。但是,研究表明无氧条件下发酵生成的乙醇低于溶氧控制在1%-4%条件下生成的乙醇。这主要是由于无氧条件下的菌体量远远低于有氧条件下菌体量,而乙醇的生成与菌体量有很大的。[4]
    类似微生物发酵的活性污泥法处理污水的过程中，DO的影响及控制也十分重要。曝气池中氧气不足和过量都会对微生物生存环境带来不利影响.当氧气不足时,一方面由于曝气池中丝状菌会大量繁殖,zui终产生污泥膨胀;另一方面会降低细菌分解的效果,延长处理时间,甚至导致生物处理失效.而氧气过量（即过量曝气）则会由于絮凝剂遭到破坏而导致悬浮固体沉降性变差,同时使能耗过高。[5]
    （二）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。[6]
    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zui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。[7]
    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。[8]
    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。[9]
    二、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控制在一定的期望值或范围内。在微生物发酵过程中,溶解氧浓度与其它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。从（1）式氧的传递速率方程也可看出，对DO值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。
    （一）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，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到8～10PPM；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2PPM。[3]
    此外，由于氧是难溶气体，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值的一个行之有效的方法。实验表明，在发酵基质中添加5%正十二烷，可明显地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）
    （二）控制氧传递速率。氧传递速率主要考虑KLa的影响因素。从一定意义上讲，KLa愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好。
    控制KLa的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构3个部分。操作变量包括温度、压力、通风量和转速（搅拌功率）等；发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型等；反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。当然有些因素是相互关联的。
    值得注意的是，在培养过程中并不是维持DO越高越好。即使是专性好气菌，过高的DO对生长可能不利。过量的氧形成新生O，超氧化物O2-和过氧化物基O22-，破坏许多细胞组分，进而破坏微生物生长。
    三、结束语
    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[9]将大大提高了发酵调控的准确性和自动化性能。
    然而，在DO测量方面目前使用较多的三种方法导管法，质谱电极法及电化学检测法因均使用膜，在检测精度和作为调控信号响应时间方面还有待进一步提高。

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    参考文献：
    [1]赵东峰,梁春艳,任翔等.溶氧对生物转化泰乐菌素为其酰化物的影响[J].中国医药工业杂志,2006,37（3）：162-164
    [2]Xiao J, ShiZH P,GaoP, et al . On-line optimization of glutamate production based on balanced metabolic control [J].RQ.Bioprocess and Biosystems Engineering,2006,29:109-117
    [3]李仁建.氧对啤酒的影响与减少氧化的措施[J].啤酒科技,2004（3）:36-38
    [4]何向飞,张梁,石贵阳.利用溶氧控制策略进行高密度和高强度乙醇发酵的初步研究[J].食品与发酵工业，2008，34（1）：20-23
    [5]Zhang Ping , Yuan Mingzhe , Wang Hong. Study on Dissolved Oxygen Control Method Based on International Evaluation Benchmark. Information and Control, 2007,36（2）:199-203
    [6]卫功元,王大慧,陈坚.不同溶氧控制方式下的谷肤甘肤分批发酵过程分析[J].化工学报,2007（9）:2330-2332
    [7]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，2003（2）：63-65
    [8]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
    [9]杨宁,王健等.基于途径分析的L-异亮氨酸发酵溶氧控制研究[J].中国生物工程杂志,2007,27（2）:70-75
     （作者单位：中国矿业大学化工学院生物工程系）