溶氧对发酵的影响及其控制

溶氧对发酵的影响及其控制 姓名:石凤  :13gb生工1班  学号:01310311x01 摘要：溶氧是指溶解于水分子状态的氧。发酵液中的溶氧浓度对微生物的生长和产物形成有着重要的影响。在发酵过程中，必须供给适量的无菌空气，菌体才能才能繁殖和积累所需代谢产物。不同菌种及不同发酵阶段的菌体的需氧量是不同的，发酵液的DO值直接影响微生物的酶的活性、代谢途径及产物产量。发酵过程中，氧的传质速率主要受发酵液中溶解氧的浓度和传递阻力影响。研究溶氧对发酵的影响及其控制对提高生产效率，改善产品质量等都有重要意义。本文以苏氨酸为实例溶氧对发酵的影响及控制。 关键词：溶氧  发酵  代谢  溶氧控制  苏氨酸 一、 氧的溶解特性 氧是一种难溶气体，在常压、25℃的条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度仅约为0.25mmol/L，在发酵液中，由于各种溶解的营养成分、无机盐和微生物的代谢产物存在，会明显降低氧的溶解度。此外，溶氧浓度会随温度、气压、盐分的变化而变化。一般来说，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。 二、 微生物对氧的需求 好氧微生物生长和代谢均需要氧气，因此供氧必须满足微生物在不同阶段的需要，在不同环境条件下，各种不同的微生物的吸氧量或呼吸强度是不同的。微生物的吸氧量常用呼吸强度和摄氧率两种方法来表示，呼吸强度是指单位质量的单菌体在单位时间内所吸取的氧量，以QO2，表示，单位为mmol O2/(g干菌体·h)。当氧成为限制性条件时，比耗氧速率为：    QO2=(QO2)mCL/（K0+CL） (QO2)m---最大比耗氧速度，mol/(kg.s) CL---溶解氧的浓度，mol/m3 K0---氧的米氏常数，mol/m3 摄氧率是指单位体积培养液在单位时间内的耗氧量，以r表示，单位为mmolO2／(L?h)。呼吸强度可以表示微生物的相对吸氧量，但是，当培养液中有固体成分存在时，对测定有困难，这时可用摄氧率来表示。微生物在发酵过程中的摄氧率取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度。  微生物的比耗氧速率的大小受多种因素影响，当培养基中不存在其他限制性基质时，比耗氧速率随溶氧浓度增加而增加，直至某一点，比耗氧速率不再随溶氧浓度的增加而增加，此时的溶氧浓度称为呼吸临界氧浓度，以Ccr表示。呼吸临界溶氧浓度一般指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，如对产物形成而言便称为产物合成的呼吸临界氧浓度。当不存在其他限制性基质时，溶解氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定；在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降，细胞处于半厌气状态，代谢活动受到阻碍。培养液中维持微生物呼吸和代谢所需的氧保持供氧与耗氧的平衡，才能满足微生物对氧的利用。由此可知，只有使溶氧浓度大于其临界氧浓度时，才能维持菌体的最大的比耗氧速率，以使菌体得到最大的合成量。但由于发酵的目的是为了得到发酵的产物，因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的。所以，需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。即使是一些专性好氧菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基O2-和过氧化物基O22-或羟基自由基OH-，破坏许多细胞组分体现的。有些带巯基的酶对高浓度的氧敏感，好气微生物曾发展一些机制，如形成触酶，过氧化物酶和超氧化物歧化酶，使其免遭氧的摧毁。溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，溶氧太大有时反而抑制产物的形成。为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。 三、 溶氧对发酵的影响 溶解氧对发酵的影响分为两方面：一是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，从而影响微生物生长；另一是氧直接参与产物合成。 1.溶氧对微生物自身生长的影响 溶解氧对微生物自身生长的影响体现在多个方面，其中对微生物酶的影响是不可忽略的重要因素。研究表明，不同溶氧对谷氨酸发酵中两个关键酶（谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶）和代谢有影响：在过低溶氧条件下，TCA循环代谢流量减小，不足以平衡葡萄糖酵解速率，从而刺激了LDH的酶活，使代谢流转向乳酸生成，造成乳酸积累；而过高溶氧，GDH酶活明显降低，且TCA循环流量加大，生成大量CO2，造成碳源损失，两种情况均不利于谷氨酸生成。 2.溶氧对发酵产物的影响 对于好氧发酵来说，溶解氧通常既是营养因素，又是环境因素。特别是对于具有一定氧化还原性的代谢产物的生产来说，DO的改变势必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同时也会对细胞生长和产物的形成产生影响。在黄胶原发酵中，虽然发酵液中的溶氧浓度对菌体生长速率影响不大，但是对菌体浓度达到最大之后的菌体的稳定期的长短及产品质量却有着明显的影响。 四、 溶氧量的控制 对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。在微生物发酵过程中，溶解氧浓度与其他过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理、化学和微生物因素的影响和制约。从氧的传递速率方程也可看出，对DO值得控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。 1.控制溶氧量 C*-CL）是氧溶解的推动力，控制溶氧量首要因素是控制氧分压（C*）。高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。如啤酒发酵中麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到8mg/L~10mg/L；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2mg/L[5]。此外，由于氧是难溶气体，在一定温度和压力下，DO值有一上限。为此，向发酵液中加入氧载体是提高DO值的有效方法。 2.控制氧传递速率  发酵液中供氧能力的基本限制因素是氧的传递速率。氧由空气溶解到水中，再传递到菌体细胞表面，最终进入细胞内被利用。在此过程中，氧的传递阻力主要有气膜阻力、液膜阻力、细胞膜传质阻力等。 五、 举例 1.溶氧对苏氨酸的影响 在发酵过程中确定了 L - 苏氨酸发酵过程中的临界溶氧浓度为 20%。在 10L 罐上进行L - 苏氨酸发酵实验, 以 4种方式供氧 ( ①5%溶氧;②20%溶氧;③50% 溶氧 ;④70%溶氧 ) , 考察不同溶氧浓度对发酵过程中各参数的影响 , 以确定最佳供氧方式 。 发酵培养基初糖浓度为80g/L,当浓度降为10g/L时,补加糖液始终维持发酵液中糖浓度为10g/L,结果如图1所示。由图1 (A) (B)可知,按方式①、③、④供氧,菌体生长和产酸均远远高于方式①。说明只有提供高于临界氧浓度以上的溶氧,菌体生长和产酸才能取得较好的效果。供氧充足,菌体呼吸旺盛,可保持较快的生长速率,另外, L-苏氨酸是天冬氨酸族氨基酸，其前体物草酰乙酸主要由对氧浓度要求高的TCA循环和磷酸烯醇丙酮酸羧化反应提供, 充分供氧, 可使菌体呼吸充足 , 将有利于产酸和糖酸转化;当溶氧过低时, 菌体基本的生长呼吸要都不能满足 ,生长受限,5% 供氧菌体 OD值在 32h 后甚至缓慢回降, 镜检发现有少量细胞碎片 , 长时间的低溶氧水平导致了部分菌体自溶。但也不是溶氧越高越好，过高的溶氧会产生新生氧O、超氧化物基O2或羟基自由基OH，破坏许多细胞组分。 由图 1 ( C )可以看出 , 方式 ④供氧发酵 13h，糖浓度由 80g /L 降为 10g /L , 方式 ③需 13. 5h , 方式 ② 需 14h , 方式 ①需 20h 。这说明溶氧水平较高时 , 菌体利用基质的能力较高, 生长迅速, 合成产物的量及糖酸转化率也较高。 0 ～ 14h , 糖的消耗主要用于菌体生长 ,14h 以后主要用于产酸, 方式 ④ 在 20h 时的耗糖强度最高可达 28g / ( L · h ) 高的溶氧虽然保持了高的耗糖速度, 结合图 1( A ) , 在菌体生长期 O D 值净增并不是最高，产酸期产酸亦不是最高 , 原因可能是高氧浓度下糖趋向于完全氧化 , 造成糖的利用效率偏低;低溶氧情况下 , 耗糖速度很慢, 能源物质在菌体内代谢困难, 且生成的副产物乙酸会抑制菌体的生长和产酸, 减缓菌体的耗糖速度。 2. 2溶氧对 NH4的影响                              图一（A,B,C） 分别按照 4种方式供养 , 在发酵过程中测定 NH4的浓度, 结果如图 2所示 ： 浓度均在 0. 3%左右 , 按方式 ① 供氧 ,NH4从度浓14h 开始攀升, 至 34h 后浓度已超过 0. 6%, 观察发酵液颜色相对偏暗发粘 , 且在后序提取时发酵液脱色困难 , 所形成的 L - 苏氨酸晶体晶形很差严重影响成品 L - 苏氨酸的质量。这是由于溶氧长时间处于较低水平 , 菌体代谢异常 , 部分菌体发生自溶等原因所致。 图二    六、 综述 由以上分析，可见发酵液中的氧含量对菌体生长和产物形成都有着重要影响，溶氧量的控制主要从氧的溶解和传递两个方面着手。随着技术的发展，发酵工业中从DO值的测量到分析控制都正逐步走向自动及一体控制化，研究利用DO值作为补料的在线控制信号将大大提高了发酵调控的准确性和自动化性能。溶氧对发酵的影响将会得到更深入的分析。 参考文献： [1] Man H L ,H o n g W L ,jin H P ,et al . Journal of Bioscience and  Bioeng ineering ,2006,101 ( 2) :127～ 130.  [2]  Eun Y P , Ji H K ,Hyung H H ,et a l . Biotechnology Lette rs ,2002,24 ( 21) :1815～ 1819 . [3] 黄金.谢希贤.徐庆阳.温廷益.陈宁.HUANG Jin.XIE Xi-xian.XU Qing-yang.WEN Ting-yi.CHEN Ning 溶氧强制振荡对L-苏氨酸发酵产率及其代谢流迁移的影响[期刊]-高校化学工程学报2010,24(1) [4] 冯志彬.王东阳.徐庆阳.温廷益.陈宁.FENG Zhi-bin.WANG Dong-yang.XU Qing-yang.WEN Ting-yi.CHEN Ning 氮源对L-苏氨酸发酵的影响[期刊论文]-中国生物工程杂志2006,26(11) [5 ]冯志彬.徐庆阳.陈宁.Feng Zhibin.Xu Qingyang.Chen Ning 代谢副产物对L-苏氨酸发酵的影响及应对措施[期刊论文]-食品与发酵工业2007,33(6) [6] 黄金.黄磊.谢希贤.陈宁.Huang Jin.Huang Lei.Xie Xixian.Chen Ning 利用响应面法优化L-苏氨酸发酵条件[期刊论文]-食品与发酵工业2008,34(1)