溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及其控制

張夙夙

摘 要：溶解氧是指溶解于水分子狀態(tài)的氧。在氨基酸發(fā)酵過程中必須提供氧氣，菌體才能繁殖和積累所需的代謝產物。研究溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及其控制對提高生產效率、改善產品質量等方面有著重要的意義。

關鍵詞：氨基酸發(fā)酵；溶氧；影響；控制

中圖分類號 TQ920 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）12-25-02

Abstract：Dissolved oxygen refers to the state of the oxygen dissolved in water molecules. Bacteria can only multiply and accumulate the metabolites provided by the appropriate amount of sterile air during the amino acid fermentation.It has important significance to study the influence and control of dissolved oxygen during the amino acid fermentation to improve the production efficiency and quality.

Key words：Amino acid fermentation；Dissolved oxygen；Influence；Control

20世紀50年代，日本木下祝郎等首次采用谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum）進行L-谷氨酸發(fā)酵取得成功[1]，從此微生物發(fā)酵技術在氨基酸生產工藝中占據(jù)了越來越重要的地位。目前，氨基酸生產菌均為需氧菌，即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[2]。因此，發(fā)酵液中的溶氧濃度是氨基酸發(fā)酵工藝的一個重要控制參數(shù)[3]，同時，合理地供氧還可以降低能源的消耗[4]。

1 溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響

不同菌種及同一菌種的不同發(fā)酵階段，菌體的需氧量是不同的。發(fā)酵液中的溶氧濃度會直接影響微生物酶的活性及代謝途徑，進而影響菌體的生長和代謝產物的積累，并最終決定產量的高低[5]。氨基酸發(fā)酵的前期是菌體生長的主要階段，如果發(fā)酵液中的溶氧水平過低，菌體的生長和繁殖就會受到限制，進而抑制氨基酸的合成，生成大量代謝副產物，嚴重影響氨基酸的最終產量。若菌體長期處于溶氧濃度較低的環(huán)境，會導致部分菌體的自溶，給產物的分離提取造成困難。徐慶陽[6]等以L-蘇氨酸生產菌TRFC為菌種發(fā)酵生產蘇氨酸，考察了不同溶氧水平對L-蘇氨酸合成的影響。其結果表明，供氧充足、菌體呼吸旺盛可保持較快的生長速率，此外，L-蘇氨酸的前體物草酰乙酸主要由對氧濃度要求較高的TCA循環(huán)和磷酸烯醇丙酮酸羧化反應提供，充分供氧可使菌體呼吸充足，有利于產酸和糖酸轉化。

溶氧水平也并非越高越好。劉雅楨[7]等研究表明，過高的溶氧除了產生過大的動力消耗外，還會產生大量泡沫，同時溶氧水平過高會產生新生氧、超氧化物基O2-或羥基自由基OH-，破壞許多細胞組分。王營[8]等對谷氨酸發(fā)酵標準溶氧水平研究發(fā)現(xiàn)，在谷氨酸合成期若溶氧水平過高，會導致菌體生長受到高氧抑制，生長慢，耗糖慢，產酸較少，造成后期菌體容易衰老，糖酸轉化率偏低。

2 氨基酸發(fā)酵中溶氧濃度的控制

氨基酸發(fā)酵過程中，菌種只能利用發(fā)酵液中的溶解氧，供氧不足將嚴重影響氨基酸的發(fā)酵。因此，如何提高和控制發(fā)酵液中的溶氧濃度是影響發(fā)酵成功與否的關鍵因素之一。工業(yè)上通常采取以下幾種方法提高溶氧濃度：

2.1 攪拌 在發(fā)酵罐內設置機械攪拌是提高溶解氧的一個有效方法[9]。其作用主要有以下幾個方面：一是將通入發(fā)酵液的空氣分散成細小的氣泡并防止小氣泡的聚集，從而增大氣液相的接觸面積；二是強化發(fā)酵液的湍流速度，降低氣泡周圍的液膜厚度和湍流中的阻力，有利于氧的傳遞；三是減少菌體結團，降低細胞周圍的液膜阻力，有利于菌體對氧的吸收。應注意的是，攪拌速度應適中，過于激烈的攪拌會產生較大的剪切力，導致菌種和產物的失活[10]。

2.2 通風 考慮到利用率的問題，一般發(fā)酵過程中的通氣量最少是所需量的2倍，高的可達5～10倍[5]。但通氣量過大不利于充分混合，容易導致泡沫的大量產生和發(fā)酵液的溢出，進而增加染菌的風險。因此，不能單純地通過增大通氣量來提高溶氧濃度，工業(yè)中常采用低通氣速率的情況下增加攪拌速度來提高發(fā)酵液的溶氧水平[11]。

2.3 分段控氧 一般而言，發(fā)酵過程的前期是菌體的生長，中后期則是產物的合成積累。因此發(fā)酵生產過程中的溶氧水平不是一成不變的，其一般策略是前期大于臨界溶氧濃度，中后期滿足產物的形成。楊海軍[12]等采用正交試驗設計研究谷氨酸棒桿菌發(fā)酵生產色氨酸的溶氧條件，結果表明采用分段控氧模式比單純固定攪拌轉速或固定DO值控氧模式更有利于提高色氨酸的產量。徐慶陽[6]等通過實驗得出，L-蘇氨酸發(fā)酵過程的溶氧控制為延滯期維持20%溶氧，對數(shù)期后維持50%溶氧，進入穩(wěn)定期提供20%溶氧即可，在該種分階段供氧模式的控制下，整個發(fā)酵過程保持了較高的細胞合成率和L-蘇氨酸產率，比恒定供氧表現(xiàn)出更好的發(fā)酵狀態(tài)。

3 結語

氨基酸發(fā)酵是一個復雜的生化反應過程，眾多影響因素中溶氧水平是重要參數(shù)之一。在實際發(fā)酵生產工藝中，溶氧的控制是一個動態(tài)過程，應根據(jù)理論的分析和指導，從設備和操作等方面采取適當?shù)墓┭醮胧?，使氧的供應量與實際需求量相適應，從而實現(xiàn)對氨基酸發(fā)酵的優(yōu)化，在滿足工藝要求的同時，降低生產成本，提高產量水平，進而實現(xiàn)生產利潤的最大化。

參考文獻

[1]胡學智.木下祝郎與味精[J].江蘇調味副食品，2011，28（3）：42.

[2]張智，滕婷婷，王淼.溶氧對發(fā)酵的影響及控制[J].科技視野，2008，21：63.

[3]張俊剛，張?zhí)m峰，吳澤華.溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及控制[J].科技視界，2012，35：223.

[4]陳寧.氨基酸工藝學[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007：47-59.

[5]劉曉波，李宗偉，閆世梁，等.溶氧控制對氨基酸發(fā)酵的影響[J].安徽農業(yè)科學，2008，36（19）：7977-7979.

[6]徐慶陽，馮志彬，孫玉華，等.溶氧對L-蘇氨酸發(fā)酵的影響[J].微生物學通報，2007，34（2）：412-314.

[7]劉雅楨，張?zhí)m峰，吳澤華，等.賴氨酸發(fā)酵過程溶氧控制研究[J].技術與應用，2012，5：21-22.

[8]王營，董亮，張雁鈴，等.谷氨酸發(fā)酵標準溶氧水平的確定[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31（9）：42-44.

[9]王霞，張世有.好氧發(fā)酵過程中影響溶解氧的因素及如何提高溶解氧的濃度[J].黑龍江醫(yī)藥，2005，18（4）：276.

[10]劉玉平，林建強.淺談如何提高發(fā)酵生產的溶解氧濃度[J].醫(yī)藥工程設計雜志，2005，26（2）：24.

[11]黃榮.發(fā)酵過程中溶氧的影響及調控[J].生物技術世界，2013，3：68.

[12]楊海軍，周小蘋，周文平.L-色氨酸10L罐發(fā)酵溶氧條件的研究[J].農產品加工，2011，7：63. （責編：張宏民）

摘 要：溶解氧是指溶解于水分子狀態(tài)的氧。在氨基酸發(fā)酵過程中必須提供氧氣，菌體才能繁殖和積累所需的代謝產物。研究溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及其控制對提高生產效率、改善產品質量等方面有著重要的意義。

關鍵詞：氨基酸發(fā)酵；溶氧；影響；控制

中圖分類號 TQ920 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）12-25-02

Abstract：Dissolved oxygen refers to the state of the oxygen dissolved in water molecules. Bacteria can only multiply and accumulate the metabolites provided by the appropriate amount of sterile air during the amino acid fermentation.It has important significance to study the influence and control of dissolved oxygen during the amino acid fermentation to improve the production efficiency and quality.

Key words：Amino acid fermentation；Dissolved oxygen；Influence；Control

20世紀50年代，日本木下祝郎等首次采用谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum）進行L-谷氨酸發(fā)酵取得成功[1]，從此微生物發(fā)酵技術在氨基酸生產工藝中占據(jù)了越來越重要的地位。目前，氨基酸生產菌均為需氧菌，即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[2]。因此，發(fā)酵液中的溶氧濃度是氨基酸發(fā)酵工藝的一個重要控制參數(shù)[3]，同時，合理地供氧還可以降低能源的消耗[4]。

1 溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響

不同菌種及同一菌種的不同發(fā)酵階段，菌體的需氧量是不同的。發(fā)酵液中的溶氧濃度會直接影響微生物酶的活性及代謝途徑，進而影響菌體的生長和代謝產物的積累，并最終決定產量的高低[5]。氨基酸發(fā)酵的前期是菌體生長的主要階段，如果發(fā)酵液中的溶氧水平過低，菌體的生長和繁殖就會受到限制，進而抑制氨基酸的合成，生成大量代謝副產物，嚴重影響氨基酸的最終產量。若菌體長期處于溶氧濃度較低的環(huán)境，會導致部分菌體的自溶，給產物的分離提取造成困難。徐慶陽[6]等以L-蘇氨酸生產菌TRFC為菌種發(fā)酵生產蘇氨酸，考察了不同溶氧水平對L-蘇氨酸合成的影響。其結果表明，供氧充足、菌體呼吸旺盛可保持較快的生長速率，此外，L-蘇氨酸的前體物草酰乙酸主要由對氧濃度要求較高的TCA循環(huán)和磷酸烯醇丙酮酸羧化反應提供，充分供氧可使菌體呼吸充足，有利于產酸和糖酸轉化。

溶氧水平也并非越高越好。劉雅楨[7]等研究表明，過高的溶氧除了產生過大的動力消耗外，還會產生大量泡沫，同時溶氧水平過高會產生新生氧、超氧化物基O2-或羥基自由基OH-，破壞許多細胞組分。王營[8]等對谷氨酸發(fā)酵標準溶氧水平研究發(fā)現(xiàn)，在谷氨酸合成期若溶氧水平過高，會導致菌體生長受到高氧抑制，生長慢，耗糖慢，產酸較少，造成后期菌體容易衰老，糖酸轉化率偏低。

2 氨基酸發(fā)酵中溶氧濃度的控制

氨基酸發(fā)酵過程中，菌種只能利用發(fā)酵液中的溶解氧，供氧不足將嚴重影響氨基酸的發(fā)酵。因此，如何提高和控制發(fā)酵液中的溶氧濃度是影響發(fā)酵成功與否的關鍵因素之一。工業(yè)上通常采取以下幾種方法提高溶氧濃度：

2.1 攪拌 在發(fā)酵罐內設置機械攪拌是提高溶解氧的一個有效方法[9]。其作用主要有以下幾個方面：一是將通入發(fā)酵液的空氣分散成細小的氣泡并防止小氣泡的聚集，從而增大氣液相的接觸面積；二是強化發(fā)酵液的湍流速度，降低氣泡周圍的液膜厚度和湍流中的阻力，有利于氧的傳遞；三是減少菌體結團，降低細胞周圍的液膜阻力，有利于菌體對氧的吸收。應注意的是，攪拌速度應適中，過于激烈的攪拌會產生較大的剪切力，導致菌種和產物的失活[10]。

2.2 通風 考慮到利用率的問題，一般發(fā)酵過程中的通氣量最少是所需量的2倍，高的可達5～10倍[5]。但通氣量過大不利于充分混合，容易導致泡沫的大量產生和發(fā)酵液的溢出，進而增加染菌的風險。因此，不能單純地通過增大通氣量來提高溶氧濃度，工業(yè)中常采用低通氣速率的情況下增加攪拌速度來提高發(fā)酵液的溶氧水平[11]。

2.3 分段控氧 一般而言，發(fā)酵過程的前期是菌體的生長，中后期則是產物的合成積累。因此發(fā)酵生產過程中的溶氧水平不是一成不變的，其一般策略是前期大于臨界溶氧濃度，中后期滿足產物的形成。楊海軍[12]等采用正交試驗設計研究谷氨酸棒桿菌發(fā)酵生產色氨酸的溶氧條件，結果表明采用分段控氧模式比單純固定攪拌轉速或固定DO值控氧模式更有利于提高色氨酸的產量。徐慶陽[6]等通過實驗得出，L-蘇氨酸發(fā)酵過程的溶氧控制為延滯期維持20%溶氧，對數(shù)期后維持50%溶氧，進入穩(wěn)定期提供20%溶氧即可，在該種分階段供氧模式的控制下，整個發(fā)酵過程保持了較高的細胞合成率和L-蘇氨酸產率，比恒定供氧表現(xiàn)出更好的發(fā)酵狀態(tài)。

3 結語

氨基酸發(fā)酵是一個復雜的生化反應過程，眾多影響因素中溶氧水平是重要參數(shù)之一。在實際發(fā)酵生產工藝中，溶氧的控制是一個動態(tài)過程，應根據(jù)理論的分析和指導，從設備和操作等方面采取適當?shù)墓┭醮胧?，使氧的供應量與實際需求量相適應，從而實現(xiàn)對氨基酸發(fā)酵的優(yōu)化，在滿足工藝要求的同時，降低生產成本，提高產量水平，進而實現(xiàn)生產利潤的最大化。

參考文獻

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[3]張俊剛，張?zhí)m峰，吳澤華.溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及控制[J].科技視界，2012，35：223.

[4]陳寧.氨基酸工藝學[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007：47-59.

[5]劉曉波，李宗偉，閆世梁，等.溶氧控制對氨基酸發(fā)酵的影響[J].安徽農業(yè)科學，2008，36（19）：7977-7979.

[6]徐慶陽，馮志彬，孫玉華，等.溶氧對L-蘇氨酸發(fā)酵的影響[J].微生物學通報，2007，34（2）：412-314.

[7]劉雅楨，張?zhí)m峰，吳澤華，等.賴氨酸發(fā)酵過程溶氧控制研究[J].技術與應用，2012，5：21-22.

[8]王營，董亮，張雁鈴，等.谷氨酸發(fā)酵標準溶氧水平的確定[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31（9）：42-44.

[9]王霞，張世有.好氧發(fā)酵過程中影響溶解氧的因素及如何提高溶解氧的濃度[J].黑龍江醫(yī)藥，2005，18（4）：276.

[10]劉玉平，林建強.淺談如何提高發(fā)酵生產的溶解氧濃度[J].醫(yī)藥工程設計雜志，2005，26（2）：24.

[11]黃榮.發(fā)酵過程中溶氧的影響及調控[J].生物技術世界，2013，3：68.

[12]楊海軍，周小蘋，周文平.L-色氨酸10L罐發(fā)酵溶氧條件的研究[J].農產品加工，2011，7：63. （責編：張宏民）

摘 要：溶解氧是指溶解于水分子狀態(tài)的氧。在氨基酸發(fā)酵過程中必須提供氧氣，菌體才能繁殖和積累所需的代謝產物。研究溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及其控制對提高生產效率、改善產品質量等方面有著重要的意義。

關鍵詞：氨基酸發(fā)酵；溶氧；影響；控制

中圖分類號 TQ920 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）12-25-02

Abstract：Dissolved oxygen refers to the state of the oxygen dissolved in water molecules. Bacteria can only multiply and accumulate the metabolites provided by the appropriate amount of sterile air during the amino acid fermentation.It has important significance to study the influence and control of dissolved oxygen during the amino acid fermentation to improve the production efficiency and quality.

Key words：Amino acid fermentation；Dissolved oxygen；Influence；Control

20世紀50年代，日本木下祝郎等首次采用谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum）進行L-谷氨酸發(fā)酵取得成功[1]，從此微生物發(fā)酵技術在氨基酸生產工藝中占據(jù)了越來越重要的地位。目前，氨基酸生產菌均為需氧菌，即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[2]。因此，發(fā)酵液中的溶氧濃度是氨基酸發(fā)酵工藝的一個重要控制參數(shù)[3]，同時，合理地供氧還可以降低能源的消耗[4]。

1 溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響

不同菌種及同一菌種的不同發(fā)酵階段，菌體的需氧量是不同的。發(fā)酵液中的溶氧濃度會直接影響微生物酶的活性及代謝途徑，進而影響菌體的生長和代謝產物的積累，并最終決定產量的高低[5]。氨基酸發(fā)酵的前期是菌體生長的主要階段，如果發(fā)酵液中的溶氧水平過低，菌體的生長和繁殖就會受到限制，進而抑制氨基酸的合成，生成大量代謝副產物，嚴重影響氨基酸的最終產量。若菌體長期處于溶氧濃度較低的環(huán)境，會導致部分菌體的自溶，給產物的分離提取造成困難。徐慶陽[6]等以L-蘇氨酸生產菌TRFC為菌種發(fā)酵生產蘇氨酸，考察了不同溶氧水平對L-蘇氨酸合成的影響。其結果表明，供氧充足、菌體呼吸旺盛可保持較快的生長速率，此外，L-蘇氨酸的前體物草酰乙酸主要由對氧濃度要求較高的TCA循環(huán)和磷酸烯醇丙酮酸羧化反應提供，充分供氧可使菌體呼吸充足，有利于產酸和糖酸轉化。

溶氧水平也并非越高越好。劉雅楨[7]等研究表明，過高的溶氧除了產生過大的動力消耗外，還會產生大量泡沫，同時溶氧水平過高會產生新生氧、超氧化物基O2-或羥基自由基OH-，破壞許多細胞組分。王營[8]等對谷氨酸發(fā)酵標準溶氧水平研究發(fā)現(xiàn)，在谷氨酸合成期若溶氧水平過高，會導致菌體生長受到高氧抑制，生長慢，耗糖慢，產酸較少，造成后期菌體容易衰老，糖酸轉化率偏低。

2 氨基酸發(fā)酵中溶氧濃度的控制

氨基酸發(fā)酵過程中，菌種只能利用發(fā)酵液中的溶解氧，供氧不足將嚴重影響氨基酸的發(fā)酵。因此，如何提高和控制發(fā)酵液中的溶氧濃度是影響發(fā)酵成功與否的關鍵因素之一。工業(yè)上通常采取以下幾種方法提高溶氧濃度：

2.1 攪拌 在發(fā)酵罐內設置機械攪拌是提高溶解氧的一個有效方法[9]。其作用主要有以下幾個方面：一是將通入發(fā)酵液的空氣分散成細小的氣泡并防止小氣泡的聚集，從而增大氣液相的接觸面積；二是強化發(fā)酵液的湍流速度，降低氣泡周圍的液膜厚度和湍流中的阻力，有利于氧的傳遞；三是減少菌體結團，降低細胞周圍的液膜阻力，有利于菌體對氧的吸收。應注意的是，攪拌速度應適中，過于激烈的攪拌會產生較大的剪切力，導致菌種和產物的失活[10]。

2.2 通風 考慮到利用率的問題，一般發(fā)酵過程中的通氣量最少是所需量的2倍，高的可達5～10倍[5]。但通氣量過大不利于充分混合，容易導致泡沫的大量產生和發(fā)酵液的溢出，進而增加染菌的風險。因此，不能單純地通過增大通氣量來提高溶氧濃度，工業(yè)中常采用低通氣速率的情況下增加攪拌速度來提高發(fā)酵液的溶氧水平[11]。

2.3 分段控氧 一般而言，發(fā)酵過程的前期是菌體的生長，中后期則是產物的合成積累。因此發(fā)酵生產過程中的溶氧水平不是一成不變的，其一般策略是前期大于臨界溶氧濃度，中后期滿足產物的形成。楊海軍[12]等采用正交試驗設計研究谷氨酸棒桿菌發(fā)酵生產色氨酸的溶氧條件，結果表明采用分段控氧模式比單純固定攪拌轉速或固定DO值控氧模式更有利于提高色氨酸的產量。徐慶陽[6]等通過實驗得出，L-蘇氨酸發(fā)酵過程的溶氧控制為延滯期維持20%溶氧，對數(shù)期后維持50%溶氧，進入穩(wěn)定期提供20%溶氧即可，在該種分階段供氧模式的控制下，整個發(fā)酵過程保持了較高的細胞合成率和L-蘇氨酸產率，比恒定供氧表現(xiàn)出更好的發(fā)酵狀態(tài)。

3 結語

氨基酸發(fā)酵是一個復雜的生化反應過程，眾多影響因素中溶氧水平是重要參數(shù)之一。在實際發(fā)酵生產工藝中，溶氧的控制是一個動態(tài)過程，應根據(jù)理論的分析和指導，從設備和操作等方面采取適當?shù)墓┭醮胧寡醯墓颗c實際需求量相適應，從而實現(xiàn)對氨基酸發(fā)酵的優(yōu)化，在滿足工藝要求的同時，降低生產成本，提高產量水平，進而實現(xiàn)生產利潤的最大化。

參考文獻

[1]胡學智.木下祝郎與味精[J].江蘇調味副食品，2011，28（3）：42.

[2]張智，滕婷婷，王淼.溶氧對發(fā)酵的影響及控制[J].科技視野，2008，21：63.

[3]張俊剛，張?zhí)m峰，吳澤華.溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及控制[J].科技視界，2012，35：223.

[4]陳寧.氨基酸工藝學[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007：47-59.

[5]劉曉波，李宗偉，閆世梁，等.溶氧控制對氨基酸發(fā)酵的影響[J].安徽農業(yè)科學，2008，36（19）：7977-7979.

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[7]劉雅楨，張?zhí)m峰，吳澤華，等.賴氨酸發(fā)酵過程溶氧控制研究[J].技術與應用，2012，5：21-22.

[8]王營，董亮，張雁鈴，等.谷氨酸發(fā)酵標準溶氧水平的確定[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31（9）：42-44.

[9]王霞，張世有.好氧發(fā)酵過程中影響溶解氧的因素及如何提高溶解氧的濃度[J].黑龍江醫(yī)藥，2005，18（4）：276.

[10]劉玉平，林建強.淺談如何提高發(fā)酵生產的溶解氧濃度[J].醫(yī)藥工程設計雜志，2005，26（2）：24.

[11]黃榮.發(fā)酵過程中溶氧的影響及調控[J].生物技術世界，2013，3：68.

[12]楊海軍，周小蘋，周文平.L-色氨酸10L罐發(fā)酵溶氧條件的研究[J].農產品加工，2011，7：63. （責編：張宏民）