氨基酸發酵過程中溶解氧的控制

張麗華

氨基酸的制造是從水解蛋白質開始的，人們生產的第一種氨基酸——谷氨酸便是水解小麥面筋得到。1957年日本木下祝郎等分得一株L-谷氨酸產生菌，并用發酵法工業生產L-谷氨酸，并相繼研究出發酵技術，從此開創了氨基酸發酵的歷史[1]。目前，許多種氨基酸均可利用微生物發酵法進行生產，從而使氨基酸產量大大增加，使生產成本也大為降低。

氨基酸發酵產生菌基本都為好氣性微生物，其生長繁殖和代謝活動都需要消耗氧氣，只有在氧分子存在下，產生菌才能完成生物氧化作用，因此在整個發酵過程中需要不斷地通入無菌空氣，以滿足產生菌的生長繁殖并積累所需要的代謝產物。但需氧微生物的氧化酶系是存在于細胞內的，微生物只能利用溶解于液體培養基中的氧，其生長、繁殖以及代謝直接受溶解氧量的影響。

溶解氧是氨基酸發酵生產工藝的一個非常重要的控制參數[2]，在一個發酵周期各階段微生物所需氧量不同。若發酵液中溶解氧濃度過低，細胞的生長就會受到抑制，造成代謝異常，甚至會分解出酸性物質，使產物產量降低；若發酵前期溶解氧過高會使微生物提前衰老，不利于微生物分泌菌絲，致使菌種數量不足，也會使產物產量降低，也就是說溶解氧的控制高與低直接影響著發酵水平，因此在氨基酸發酵過程中，控制溶解氧是十分必要的。

一、溶解氧對氨基酸發酵的影響

溶解氧對發酵的影響分為兩方面：一是溶氧濃度影響與呼吸鏈有關的能量代謝，從而影響微生物生長；另一是氧直接參與產物合成。

1、溶氧對微生物自身生長的影響

溶解氧對微生物自身生長的影響體現在多個方面，其中對微生物酶的影響是不可忽略的重要因素。研究表明，不同溶氧對谷氨酸發酵中兩個關鍵酶（谷氨酸脫氫酶和乳酸脫氫酶）和代謝有影響：在過低溶氧條件下，TCA循環代謝流量減小，不足以平衡葡萄糖酵解速率，從而刺激了LDH的酶活，使代謝流轉向乳酸生成，造成乳酸積累；而過高溶氧，GDH酶活明顯降低，且TCA循環流量加大，生成大量CO2，造成碳源損失，兩種情況均不利于谷氨酸生成。

2、溶氧對發酵產物的影響

對于好氧發酵來說，溶解氧通常既是營養因素，又是環境因素。特別是對于具有一定氧化還原性的代謝產物的生產來說，DO的改變勢必會影響到菌株培養體系的氧化還原電位，同時也會對細胞生長和產物的形成產生影響。在黃膠原發酵中，雖然發酵液中的溶氧濃度對菌體生長速率影響不大，但是對菌體濃度達到最大之后的菌體的穩定期的長短及產品質量卻有著明顯的影響。

溶解氧濃度是發酵過程中的一個綜合參數，它能很靈敏地反映出發酵過程中供氧和需氧兩方面的變化。所以熟悉發酵過程中溶解氧濃度的變化情況，對發酵過程的控制及發酵工藝的改進都是很有幫助的。

發酵過程中溶解氧濃度的變化受很多因素影響，培養基成分和濃度、補料或加糖、產生菌的菌絲濃度和種齡、設備供氧能力的變化、加消泡劑及補水措施、改變通氣量等，以及發酵過程中某些事故的發生都會使發酵液中的溶解氧濃度發生變化。總之，凡是影響供氧和需氧的所有因素都會使發酵液中的溶解氧濃度發生變化。

二、氨基酸發酵過程中溶解氧的控制措施

為使發酵液中溶解氧控制在一定的溶氧水平，需從供氧和需氧兩方面著手。

1、供氧的控制

主要是設法提高氧傳遞的推動力和氧傳遞系數，生產中可以通過調節攪拌轉速或通氣速率來控制。同時要有適當的工藝條件來控制需氧量，使菌體的生長和產物形成對氧的需求量不超過設備的供氧能力。已知發酵液的需氧量，受菌體濃度、基質的種類和濃度以及培養條件等因素的影響，其中以菌濃的影響最為明顯。發酵液的攝氧率隨菌濃增大而增大，但氧的傳遞速率隨菌濃的對數關系減少。因此可以控制菌的比生長速率比臨界值略高一點，達到最適菌體濃度。這樣既能保證產物的比生產速率維持在最大值，又不會使需氧大于供氧。這可以通過控制基質的濃度來實現，如控制補糖速率。除控制補料速度外，在生產上，還可采用調節溫度（降低培養溫度可提高溶氧濃度）。液化培養基、中間補水。添加表面活性劑等工藝措施，來改善溶氧水平。

2、需氧的控制

發酵的需氧量家菌體濃度、基質的種類和濃度以及培養條件等因素的影響，菌體濃度增加時，發酵液攝氧率也按比例增加，但氧的傳遞速率卻下降，為了獲得最高的生產率，需要采用攝氧速率與傳氧速率相平衡的菌體濃度，可以控制生產菌的比生長速率比臨界值略高來達到最適濃度。最適菌體濃度既能保證產物的比生產速率維持在最大值，又不會使需氧大于供氧，超過此濃度，產物的比生產速率和體積都會迅速下降。這是控制最適溶解氧濃度的重要方法。

3、控制氧傳遞速率

發酵液中供氧能力的基本限制因素是氧的傳遞速率。氧由空氣溶解到水中，再傳遞到菌體細胞表面，最終進入細胞內被利用。在此過程中，氧的傳遞阻力主要有氣膜阻力、液膜阻力、細胞膜傳質阻力等。

具體來說，可以從以下幾個方面進行溶解氧的控制：

（1）適當加大通氣量。

一般情況下，氧在水中的溶解度很低，在1個大氣壓及25℃時，空氣中的氧在水中的溶解度為0.267mg/L，同樣條件下，氧在發酵液中的溶解度更低，約為0.2mg/L。通常通氣量最少是所需量的2倍，有時可達5～10倍[4]。但空氣流速過大，不利于空氣在罐內的分散與停留，影響氧的傳遞，同時也會產生大量泡沫，還容易導致染菌及發酵液的濃縮。因此，單純增大勇氣量來提高溶氧系數并不一定取得好的效果，要提高發酵罐的供氧能力，通常采用提高攪拌功率與適當的通氣量相結合[3]。

（2）條件許可情況下，適當提高攪拌轉速。

在發酵罐內設置機械攪拌是提高溶解氧的一個有效方法[4]。其作用是攪拌可把發酵液中的氣泡打碎，強化流體的湍流程度，使空氣與發酵液充分混合，所、液、固三相更好地接觸，能增加溶解氧速率，使產生菌懸浮混合均勻，促進代謝產物的速率。但是攪拌速度過大，也容易對細胞造成損傷。

（3）適當增加發酵罐壓力。

增加發酵罐壓力，即是增加空氣壓力，可使氧的溶解度增加。但是，過分增加罐中空氣壓力，會使罐壓增大，空氣壓縮設備的動力也需增大，導致動力消耗增大，另外，罐壓增大導致CO2的溶解度也會增大，對菌體生長也有不利的影響。氨基酸生產中，罐壓一般為0.05～0.10Mpa，且發酵不同階段的罐壓也不一樣。當然，也可采用含量氧量較多的空氣或純氧來增加氧的分壓，同增也能增加溶解氧的量。

（4）適當提高空氣的線速度

機械攪拌通風攪拌的溶氧系是隨著空氣量增多而增大的，當增加通風量時，空氣速度相應增加，從而增大了溶氧；但是，在轉速不變時，空氣線速度過大會發生“過載”現象，即攪拌葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。因此，生產中要根據實際情況來選擇空氣的線速度，適當提高空氣線速度的應避免空氣“過載”現象。

發酵過程中參數的控制也很重要，為了滿足發酵過程自動控制的需要，應盡可能在發酵罐內安裝傳感器檢測發酵過程中溶解氧濃度、空氣流量或攪拌轉速等調節參數，以便隨時監測溶氧狀況，適時調節發酵培養條件，實現對發酵過程的優化和自動化控制。

參考文獻：

[1]LEUCHTENBERGERW，HUTHMACHERK，DRAUZK.Biotechnologicalpro2ductionofaminoacidsandderivatives：Currentstatusandprospects[J].AppliedMicrobiologyandBiotechnology，2005，69（1）：1-8

[2] 張俊剛，張蘭峰等.溶氧對氨基酸發酵的影響及控制[J].科技視界，2012.35，223.

[3] 劉曉波，李宗等.溶氧控制對氨基酸發酵的影響.[J].安徽農業科學，2008.36，7978.

[4]張夙夙.溶氧對氨基酸發酵的影響及控制[J].安徽農學通報，2014.12，25.