赤霉酸發酵通氣量優化的初步研究

胡 濤

江西新瑞豐生化有限公司，江西新干 331307

赤霉酸是通過一種黑曲霉發酵培養代謝得到的一類次級代謝產物，被分離、鑒定和命名的一共有116種。其中在農業中應用最廣泛的就是GA3（注：本文所寫赤霉酸就是指GA3），在我國農業生產中發揮著巨大的作用。赤霉酸具有非常高的植物調節活性，對各種農作物的生長和發育都有很明顯的調節作用。在北方，赤霉酸主要應用于葡萄、紅棗、山楂、油桃等經濟作物上，在花期噴灑一定濃度赤霉酸溶液可以有效提高果樹的坐果率，促進果實生長發育，果樹產量提高20%～30%左右。在南方，赤霉酸主要應用于雜交水稻制種上，調節水稻父母本在同一時間開花，使母本授粉率大幅提高，進一步提高了雜交水稻種子的產量，降低了種子的生產成本，為農民減輕了負擔。

發酵過程中，由于是好氧發酵培養，菌體的生長和代謝需要一定量的氧氣，這個時候發酵培養液中溶解氧的多少直接影響了菌體的代謝和生長。生產的不同階段，菌體的生長和代謝在不同時間具有非常明顯的差異，對氧氣的需求量也有著很大不同。其中影響溶解氧的因素很多，包括通氣量、攪拌轉速、溫度、壓力等。本文僅通過對發酵生產過程溶氧的測定，初步確定了赤霉酸發酵過程分階段控制的較適無菌空氣通氣量，在生產過程中應用后有效節約了大量無菌空氣的輸出，減少了電能的消耗。

1 材料和方法

1.1 試驗設備

60m3通用式發酵罐。外盤管加六組內蛇管換熱器，攪拌底層為六平葉渦輪攪拌，上三層為四寬葉葉輪漿攪拌。轉速160r/min，功率155kW，電流140A。孔板流量計，溶氧電極。

1.2 發酵培養

種子液經過二級發酵擴大培養好接入60m3發酵罐進行發酵培養。接后體積控制在45m3，培養溫度28℃，攪拌轉速160r/min，罐壓0.025MPa～0.03MPa，通氣量按對照42m3/min進行試驗考查溶解氧的變化情況。

溫度、DO值由微機在線收集。

1.3 分析測試方法

溶氧：通過溶氧電極由計算機在線收集檢測

通氣量：通過孔板流量計由計算機在線收集檢測。

2 結果與分析

2.1 發酵過程中DO變化規律

赤霉素發酵過程分3個階段：

前期：菌體的對數生長期，菌體大量繁殖。

中期：菌體繁殖和衰亡保持平衡，合成大量赤霉素。

后期：菌體代謝減慢直至大量衰亡，合成赤霉素逐步減少。

根據發酵培養條件進行發酵培養，收集過程中DO值如下：

接種后，隨著菌絲的不斷生長繁殖，DO值逐漸下降，在80h左右達到最低值15%的最低點，然后逐漸緩慢回升。在每次補料和補糖時出現一個較低谷；

由圖1可以看出，發酵過程中DO變化如以下特點：

1）0h～20h,因菌絲總量較少，呼吸強度低，DO仍在70%以上的相對較高水平；

2）20h～40h，菌絲進一步繁殖并接近基本濃度，菌體代謝旺盛，且此期間第一次補料，DO急速下降到50%左右；

3）40h～120h，菌體達到并維持基本濃度，代謝旺盛，DO處在發酵全程最低段；

4）120h～放罐前12h，代謝有所減弱，DO逐漸升高到80%以上；

5）放罐前，菌絲鏡檢變細變短，染色后著色淺，效價增長減緩，菌濃有所下降。

2.2 發酵過程中最適DO濃度及通氣量的選擇

由于發酵過程中攪拌轉速是恒定的，所以DO的變化主要與通氣量有關。根據DO變化曲線，我們選擇將最低DO控制在20%、25%、30%以上分別進行試驗，結果如下表：

放罐效價 放罐體積 放罐總億 發酵指數對照 100 100 100 100 DO30%以上試驗 98 103 102 102 DO25%以上試驗 97 104 101 100 DO20%以上試驗 97 103 98 98

從上表可以看出：將DO控制在30%以上時，放罐效價略低，但發酵總億和發酵指數略有提高。綜合經濟效益考慮，流量分階段控制標準如下：

1）0h～20h，20m3/min ；

2）20h～40h，30m3/min ；

3）40h～120h，42m3/min ；

4）120h～放罐，30m3/min；

經過30罐披發酵驗證和綜合設計，在放罐效價相當（99%）的情況下，放罐體積較對照增加約1.9m3，有效提高了設備的裝料系數，大大節約了電力消耗。

3 結論

赤霉素發酵過程中，無菌空氣的輸入需要大量的電能，電力成本約占發酵生產成本的30%～40%。本研究通過對通氣量和溶解氧的分析，在不影響整個發酵生產效率的前提下，根據微生物發酵的特點，通過調節發酵不同階段通氣量的大小，滿足菌體生長代謝對氧氣的基本需求。制定了上述的通氣量優化方案，在近二年的對照生產中，我們制定的這套通氣量方案，在實際生產中，赤霉酸的產能沒有出現明顯的下降。相反，由于整個發酵過程中總的通氣量的降低，用于輸送無菌空氣的空壓機的使用次數和強度有著明顯的下降，有效節約了大量的電能，發酵成本得到近一步的控制，每年給企業帶來了不小的經濟效益。但影響溶解氧的因素非常復雜，本文僅對通氣量進行了考察，其它如攪拌功率、基質濃度、溫度、pH值等的影響尚待進一步探討。

[1]王成迎，石永芝.泰樂菌素發酵中通氣量與DO的分析控制。黑龍江八一農墾大學學報，2005，17(3)：82-85.