溶氧對發酵的影響及控制 摘要：發酵液中的溶氧濃度（Dissolved Oxygen ，簡稱DO）對微生物的生長和產物形成有著重要的影響。在發酵過程中，必須供給適量的無菌空氣，菌體才能繁殖和積累所需代謝產物。不同菌種及不同發酵階段的菌體的需氧量是不同的，發酵液的DO值直接影響微生物的酶的活性、代謝途徑及產物產量。發酵過程中，氧的傳質速率主要受發酵液中溶解氧的濃度和傳遞阻力影響。研究溶氧對發酵的影響及控制對提高生產效率，改善產品質量等都有重要意義。
關鍵詞：溶氧 發酵 代謝 溶氧控制
一、溶氧對發酵影響
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]
（一）溶氧對微生物自身生長的影響
根據對氧的需求，微生物可分為專性好氧微生物、兼性好氧微生物和專性厭氧微生物。專性好氧微生物把氧作為zui終電子受體，通過有氧呼吸獲取能量，如霉菌；進行此類微生物發酵時一般應盡可能的提高溶解氧（DO），以促進微生物生長，增大菌體量。兼性好氧微生物的生長不一定需要氧，但如果在培養中供給氧，則菌體生長更好，如酵母菌；典型如乙醇發酵，對溶DO的控制分兩個階段，初始提供高DO值進行菌體擴大培養，后期嚴格控制DO進行厭氧發酵。厭氧和微好氧微生物能耐受壞境中的氧，但它們的生長并不需要氧，這些微生物在發酵生產中應用較少。而對于專性厭氧微生物，氧則可對其顯示毒性，如產甲烷桿菌，此時能否限制DO在一個較低值往往成為發酵成敗的關鍵。
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。Xiao等[2]研究了不同溶氧對谷氨酸發酵中兩個關鍵酶（谷氨酸脫氫酶GDH和乳酸脫氫酶LDH）和代謝流的影響,研究表明,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。
啤酒工業中，在啤酒的發酵階段，酵母的繁殖需要有足夠的氧氣，在除此之外的任何階段都應極力避免氧的參與。啤酒發酵液總含氧量由酒體溶解氧和瓶頸空氣兩部分組成，一般情況下，啤酒中的含氧量超過2PPM時對生產就有明顯的危害。[3]因為氧氣的存在會促使酵母采取有氧呼吸的代謝途徑,從而破壞乙醇發酵的厭氧代謝過程。但是,研究表明無氧條件下發酵生成的乙醇低于溶氧控制在1%-4%條件下生成的乙醇。這主要是由于無氧條件下的菌體量遠遠低于有氧條件下菌體量,而乙醇的生成與菌體量有很大的。[4]
類似微生物發酵的活性污泥法處理污水的過程中，DO的影響及控制也十分重要。曝氣池中氧氣不足和過量都會對微生物生存環境帶來不利影響.當氧氣不足時,一方面由于曝氣池中絲狀菌會大量繁殖,zui終產生污泥膨脹;另一方面會降低細菌分解的效果,延長處理時間,甚至導致生物處理失效.而氧氣過量（即過量曝氣）則會由于絮凝劑遭到破壞而導致懸浮固體沉降性變差,同時使能耗過高。[5]
（二）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質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。[6]
在黃原膠發酵中，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zui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。[7]
需氧微生物酶的活性對氧有著很強的依賴性。谷氨酸發酵中，高溶氧條件下乳酸脫氫酶（LDH）活性明顯比低溶氧條件下的LDH酶活要低，產酸中后期谷氨酸脫氫酶（GDH）的酶活下降很快,這可能是由于在高溶氧條件下,劇烈的通氣和攪拌加劇了菌體的死亡速度和發酵活性的衰減。[8]
DO值的高低還會改變微生物代謝途徑，以致改變發酵環境甚至使目標產物發生偏離。研究表明，L-異亮氨酸的代謝流量與溶氧濃度有密切關系，可以通過控制不同時期的溶氧來改變發酵過程中的代謝流分布,從而改變Ile等氨基酸合成的代謝流量。[9]
二、溶氧量的控制
對溶解氧進行控制的目的是把溶解氧濃度值穩定控制在一定的期望值或范圍內。在微生物發酵過程中,溶解氧濃度與其它過程參數的關系極為復雜,受到生物反應器中多種物理、化學和微生物因素的影響和制約。從（1）式氧的傳遞速率方程也可看出，對DO值的控制主要集中在氧的溶解和傳遞兩個方面。
（一）控制溶氧量。（C*-CL）是氧溶解的推動力，控制溶氧量首要因素是控制氧分壓（C*）。高密度培養往往采用通入純氧的方式提高氧分壓，而厭氧發酵則采用各種方式將氧分壓控制在較低水平。如啤酒發酵，麥汁充氧和酵母接種階段，一般要求氧含量達到8～10PPM；而啤酒發酵階段，一般啤酒中的含氧量不得超過2PPM。[3]
此外，由于氧是難溶氣體，一定溫度和壓力下，DO值有一上限。為此，向發酵液中加入氧載體是提高DO值的一個行之有效的方法。實驗表明，在發酵基質中添加5%正十二烷，可明顯地提高發酵介質中的溶氧水平，改善供氧條件，維持溶氧的相對穩定，增加菌體濃度，提高L-天冬酞胺酶發酵水平（21%左右）
（二）控制氧傳遞速率。氧傳遞速率主要考慮KLa的影響因素。從一定意義上講，KLa愈大，好氧生物反應器的傳質性能愈好。
控制KLa的途徑可分為操作變量、反應液的理化性質和反應器的結構3個部分。操作變量包括溫度、壓力、通風量和轉速（攪拌功率）等；發酵液的理化性質包括發酵液的黏度、表面張力、氧的溶解度、發酵液的組成成分、發酵液的流動狀態、發酵類型等；反應器的結構指反應器的類型、反應器各部分尺寸的比例、空氣分布器的形式等。當然有些因素是相互關聯的。
值得注意的是，在培養過程中并不是維持DO越高越好。即使是專性好氣菌，過高的DO對生長可能不利。過量的氧形成新生O，超氧化物O2-和過氧化物基O22-，破壞許多細胞組分，進而破壞微生物生長。
三、結束語
發酵液中的氧含量對菌體生長和產物形成都有著重要的影響，溶氧量的控制主要從氧的溶解和傳遞兩個方面考慮。隨著計算機和自動化技術的發展，發酵工業中從DO的測量到分析控制都正逐步走向自動及控制一體化模式，研究利用DO作為補料的在線控制信號[9]將大大提高了發酵調控的準確性和自動化性能。
然而，在DO測量方面目前使用較多的三種方法導管法，質譜電極法及電化學檢測法因均使用膜，在檢測精度和作為調控信號響應時間方面還有待進一步提高。
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參考文獻：
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[8]郜培,陸靜波等.溶氧濃度對谷氨酸發酵關鍵酶的影響[J].食品與發酵工食品與發酵工業,2005（31）:72-75
[9]楊寧,王健等.基于途徑分析的L-異亮氨酸發酵溶氧控制研究[J].中國生物工程雜志,2007,27（2）:70-75
（作者單位：中國礦業大學化工學院生物工程系）
