氨基酸發(fā)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(zhì)開始的，人們生產(chǎn)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(chǎn)生菌，并用發(fā)酵法工業(yè)生產(chǎn)L-谷氨酸，并相繼研究出發(fā)酵技術(shù)，從此開創(chuàng)了氨基酸發(fā)酵的歷史[1]。目前，許多種氨基酸均可利用微生物發(fā)酵法進(jìn)行生產(chǎn)，從而使氨基酸產(chǎn)量大大增加，使生產(chǎn)成本也大為降低。

氨基酸發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)生菌才能完成生物氧化作用，因此在整個發(fā)酵過程中需要不斷地通入無菌空氣，以滿足產(chǎn)生菌的生長繁殖并積累所需要的代謝產(chǎn)物。但需氧微生物的氧化酶系是存在于細(xì)胞內(nèi)的，微生物只能利用溶解于液體培養(yǎng)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(fā)酵生產(chǎn)工藝的一個非常重要的控制參數(shù)[2]，在一個發(fā)酵周期各階段微生物所需氧量不同。若發(fā)酵液中溶解氧濃度過低，細(xì)胞的生長就會受到抑制，造成代謝異常，甚至?xí)纸獬鏊嵝晕镔|(zhì)，使產(chǎn)物產(chǎn)量降低；若發(fā)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(shù)量不足，也會使產(chǎn)物產(chǎn)量降低，也就是說溶解氧的控制高與低直接影響著發(fā)酵水平，因此在氨基酸發(fā)酵過程中，控制溶解氧是十分必要的。

一、溶解氧對氨基酸發(fā)酵的影響

溶解氧對發(fā)酵的影響分為兩方面：一是溶氧濃度影響與呼吸鏈有關(guān)的能量代謝，從而影響微生物生長；另一是氧直接參與產(chǎn)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(xiàn)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(fā)酵中兩個關(guān)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(huán)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(zhuǎn)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(huán)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(fā)酵產(chǎn)物的影響

對于好氧發(fā)酵來說，溶解氧通常既是營養(yǎng)因素，又是環(huán)境因素。特別是對于具有一定氧化還原性的代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)來說，DO的改變勢必會影響到菌株培養(yǎng)體系的氧化還原電位，同時也會對細(xì)胞生長和產(chǎn)物的形成產(chǎn)生影響。在黃膠原發(fā)酵中，雖然發(fā)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(dá)到最大之后的菌體的穩(wěn)定期的長短及產(chǎn)品質(zhì)量卻有著明顯的影響。

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

發(fā)酵過程中溶解氧濃度的變化受很多因素影響，培養(yǎng)基成分和濃度、補(bǔ)料或加糖、產(chǎn)生菌的菌絲濃度和種齡、設(shè)備供氧能力的變化、加消泡劑及補(bǔ)水措施、改變通氣量等，以及發(fā)酵過程中某些事故的發(fā)生都會使發(fā)酵液中的溶解氧濃度發(fā)生變化?？傊?，凡是影響供氧和需氧的所有因素都會使發(fā)酵液中的溶解氧濃度發(fā)生變化。

二、氨基酸發(fā)酵過程中溶解氧的控制措施

為使發(fā)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(shè)法提高氧傳遞的推動力和氧傳遞系數(shù)，生產(chǎn)中可以通過調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來控制。同時要有適當(dāng)?shù)墓に嚄l件來控制需氧量，使菌體的生長和產(chǎn)物形成對氧的需求量不超過設(shè)備的供氧能力。已知發(fā)酵液的需氧量，受菌體濃度、基質(zhì)的種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響，其中以菌濃的影響最為明顯。發(fā)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(shù)關(guān)系減少。因此可以控制菌的比生長速率比臨界值略高一點(diǎn)，達(dá)到最適菌體濃度。這樣既能保證產(chǎn)物的比生產(chǎn)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(zhì)的濃度來實(shí)現(xiàn)，如控制補(bǔ)糖速率。除控制補(bǔ)料速度外，在生產(chǎn)上，還可采用調(diào)節(jié)溫度（降低培養(yǎng)溫度可提高溶氧濃度）。液化培養(yǎng)基、中間補(bǔ)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(fā)酵的需氧量家菌體濃度、基質(zhì)的種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響，菌體濃度增加時，發(fā)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(chǎn)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(chǎn)菌的比生長速率比臨界值略高來達(dá)到最適濃度。最適菌體濃度既能保證產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率維持在最大值，又不會使需氧大于供氧，超過此濃度，產(chǎn)物的比生產(chǎn)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(fā)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(xì)胞表面，最終進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞膜傳質(zhì)阻力等。

具體來說，可以從以下幾個方面進(jìn)行溶解氧的控制：

（1）適當(dāng)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(fā)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(dá)5～10倍[4]。但空氣流速過大，不利于空氣在罐內(nèi)的分散與停留，影響氧的傳遞，同時也會產(chǎn)生大量泡沫，還容易導(dǎo)致染菌及發(fā)酵液的濃縮。因此，單純增大勇氣量來提高溶氧系數(shù)并不一定取得好的效果，要提高發(fā)酵罐的供氧能力，通常采用提高攪拌功率與適當(dāng)?shù)耐饬肯嘟Y(jié)合[3]。

（2）條件許可情況下，適當(dāng)提高攪拌轉(zhuǎn)速。

在發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置機(jī)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(fā)酵液中的氣泡打碎，強(qiáng)化流體的湍流程度，使空氣與發(fā)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(chǎn)生菌懸浮混合均勻，促進(jìn)代謝產(chǎn)物的速率。但是攪拌速度過大，也容易對細(xì)胞造成損傷。

（3）適當(dāng)增加發(fā)酵罐壓力。

增加發(fā)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(shè)備的動力也需增大，導(dǎo)致動力消耗增大，另外，罐壓增大導(dǎo)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(chǎn)中，罐壓一般為0.05～0.10Mpa，且發(fā)酵不同階段的罐壓也不一樣。當(dāng)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(dāng)提高空氣的線速度

機(jī)械攪拌通風(fēng)攪拌的溶氧系是隨著空氣量增多而增大的，當(dāng)增加通風(fēng)量時，空氣速度相應(yīng)增加，從而增大了溶氧；但是，在轉(zhuǎn)速不變時，空氣線速度過大會發(fā)生“過載”現(xiàn)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(chǎn)中要根據(jù)實(shí)際情況來選擇空氣的線速度，適當(dāng)提高空氣線速度的應(yīng)避免空氣“過載”現(xiàn)象。

發(fā)酵過程中參數(shù)的控制也很重要，為了滿足發(fā)酵過程自動控制的需要，應(yīng)盡可能在發(fā)酵罐內(nèi)安裝傳感器檢測發(fā)酵過程中溶解氧濃度、空氣流量或攪拌轉(zhuǎn)速等調(diào)節(jié)參數(shù)，以便隨時監(jiān)測溶氧狀況，適時調(diào)節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)條件，實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵過程的優(yōu)化和自動化控制。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 張俊剛，張?zhí)m峰等.溶氧對氨基酸發(fā)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(fā)酵的影響.[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008.36，7978.

[4]張夙夙.溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及控制[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014.12，25.