一、溶解氧對發酵的影響

　　在發酵過程中，影響耗氧的因素有以下幾方面：

　?、排囵B基的成分和菌濃顯著影響耗氧培養液營養豐富，菌體生長快，耗氧量大；菌濃高，耗氧量大；發酵過程補料或補糖，微生物對氧的攝取量隨之增大。

　?、凭g影響耗氧呼吸旺盛時，耗氧量大。發酵后期菌體處于衰老狀態，耗氧量自然減弱。

　?、前l酵條件影響耗氧在最適條件下發酵，耗氧量大。

　　發酵過程中，排除有毒代謝產物如二氧化碳、揮發性的有機酸和過量的氨，也有利于提高菌體的攝氧量。

　　在25℃，0.10MPa下，空氣中的氧在水中的溶解度為0.25mmol／L，在發酵液中的溶解度只有0.22mmol／L，而發酵液中的大量微生物耗氧迅速(耗氧速率大于25～100mmol／L·h)。因此，供氧對于好氧微生物來說是非常重要的。在好氧發酵中，微生物對氧有一個最低要求，滿足微生物呼吸的最低氧濃度叫臨界溶氧濃度(criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration)，用c臨界表示。在c臨界以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。一般好氧微生物c臨界很低，約為0.003～0.05mmol／L，需氧量一般為25～100mmol／(L·h)。其c臨界大約是氧飽和溶解度的1％～25％。

　　當不存在其他限制性基質時，溶氧高于c臨界，細胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶氧低于c臨界，細胞的比耗氧速率就會大大下降，細胞處于半厭氧狀態，代謝活動受到阻礙。培養液中維持微生物呼吸和代謝所需的氧保持供氧與耗氧的平衡，才能滿足微生物對氧的利用。液體中的微生物只能利用溶解氧，氣液界面處的微生物還能利用氣相中的氧，故強化氣液界面也將有利于供氧。

　　溶氧是好氧發酵控制最重要的參數之一。由于氧在水中的溶解度很小，在發酵液中的溶解度更小，因此，需要不斷調整通風和攪拌，才能滿足不同發酵過程對氧的需求。溶氧的大小對菌體生長和產物的形成及產量都會產生不同的影響。如谷氨酸發酵，供氧不足時，谷氨酸積累就會明顯降低，產生大量乳酸和琥珀酸。又如薛氏丙酸菌發酵生產維生素B12中，維生素B12的組成部分咕啉醇酰胺(cobinamide，又稱B因子)的生物合成前期的兩種主要酶就受到氧的阻遏，限制氧的供給，才能積累大量的B因子，B因子又在供氧的條件下才轉變成維生素B12，因而采用厭氧和供氧相結合的方法，有利于維生素B12的合成。在天冬酰胺酶的發酵中，前期是好氧培養，而后期轉為厭氧培養，酶的活力就能大為提高。掌握好轉變時機頗為重要。據實驗研究，當溶氧下降到45％時，就從好氧培養轉為厭氧培養，酶的活力可提高6倍，這就說明利用控制溶氧來控制發酵的重要性。對抗生素發酵來說，氧的供給就更為重要。如金霉素發酵，在生長期短時間停止通風，就可能影響菌體在生產期的糖代謝途徑，由HMP途徑轉向EMP途徑，使金霉素產量減少。金霉素C6上的氧還直接來源于溶氧，所以，溶氧對菌體代謝和產物合成都有影響。

　　綜上所述，好氧發酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧高雖然有利于菌體生長和產物合成，但溶氧太大有時反而抑制產物的形成。因為，為避免發酵處于限氧條件下，需要考查每一種發酵產物的c臨界和最適溶氧濃度(optimaloxygenconcentration)，并使發酵過程保持在最適溶氧濃度。最適溶氧濃度的大小與菌體和產物合成代謝的特性有關，這是由實驗來確定的。據報道，次級代謝的青霉素發酵的c臨界為5％～10％之間，低于此值就會給青霉素合成帶來損失，時間愈長，損失愈大。而初級代謝的氨基酸發酵，需氧量的大小與氨基酸的合成途徑密切相關。根據發酵需氧要求不同可分為三類(見圖7-4)：第一類有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它們在菌體呼吸充足的條件下，產量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就會受到強烈的抑制，大量積累乳酸和琥珀酸；第二類，包括異亮氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高產量，但供氧受限，產量受影響并不明顯；第三類，有亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，僅在供氧受限、細胞呼吸受抑制時，才能獲得最大量的氨基酸，如果供氧充足，產物形成反而受到抑制。

　　氨基酸合成的需氧程度產生上述差別的原因，是由它們的生物合成途徑不同所引起的，不同的代謝途徑產生不同數量的NAD(P)H，當然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一類氨基酸是經過乙醛酸循環和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統兩個途徑形成的，產生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量為最多，供氧愈多，合成氨基酸當然亦愈順利。第二類的合成途徑是產生NADH的乙醛酸循環或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統，產生的NADH量不多，因而與供氧量關系不明顯。第三類，如苯丙氨酸的合成，并不經過TCA循環，NADH產量很少，過量供氧，反而起到抑制作用。肌苷發酵也有類似的結果。由此可知，供氧大小是與產物的生物合成途徑有關。

　　在抗生素發酵過程中，菌體的生長階段和產物的生成階段都有一個臨界溶氧濃度，分別為c’臨界和c’’臨界。兩者的關系有：①c’臨界≈c’’臨界；②c’臨界>c’’臨界③c’臨界<c’’臨界。

　　目前，發酵工業中，氧的利用率(oxygenutilizationrate)還很低，只有40％～60％，抗生素發酵工業更低，只有2％～8％。好氧微生物的生長和代謝活動都需要消耗氧氣，它們只有在氧分子存在的情況下才能完成生物氧化作用。因此，供氧對于好氧微生物是必不可少的。

二、供氧與微生物呼吸代謝的關系

　　好氧微生物生長和代謝均需要氧氣，因此供氧必須滿足微生物在不同階段的需要。由于各種好氧微生物所含的氧化酶系(如過氧化氫酶、細胞色素氧化酶、黃素脫氫酶、多酚氧化酶等)的種類和數量不同，在不同的環境條件下，各種不同的微生物的吸氧量或呼吸強度是不同的。

　　微生物的吸氧量常用呼吸強度和耗氧速率兩種方法來表示。呼吸強度又稱氧比消耗速率，是指單位質量的干菌體在單位時間內所吸取的氧量，以表示，單位為mmolO2／(g干菌體·h)?！　『难跛俾视址Q攝氧率，是指單位體積培養液在單位時間內的吸氧量，以r表示，單位為mmolO2／(L·h)。呼吸強度可以表示微生物的相對吸氧量，但是，當培養液中有固體成分存在時，測定起來有困難，這時可用耗氧速率來表示。微生物在發酵過程中的耗氧速率取決于微生物的呼吸強度和單位體積菌體濃度。

　　在發酵生產中，供氧的多少應根據不同的菌種、發酵條件和發酵階段等具體情況決定。例如谷氨酸發酵在菌體生長期，希望糖的消耗最大限度地用于合成菌體，而在谷氨酸生產期，則希望糖的消耗最大限度地用于合成谷氨酸。因此，在菌體生長期，供氧必須滿足菌體呼吸的需氧量，若菌體的需氧量得不到滿足，則菌體呼吸受到抑制，從而抑制菌體生長，引起乳酸等副產物的積累，菌體收率降低。但是供氧并非越大越好，當供氧滿足菌體需要，菌體的生長速率達最大值，如果再提高供氧，不但不能促進菌體生長，造成能源浪費，而且高氧水平會抑制菌體生長，且高氧水平下生長的菌體不能有效地產生谷氨酸。

　　與菌體的生長期相比，谷氨酸生產期需要大量的氧。谷氨酸的發酵在細胞最大呼吸強度時，谷氨酸產量最大。因此，在谷氨酸生產期要求充分供氧，以滿足細胞最大呼吸強度的需氧量。在條件適當時，谷氨酸生產菌將60％以上的糖轉化為谷氨酸。

三、發酵過程溶氧的變化

　　在發酵過程中，在已有設備和正常發酵條件下，每種產物發酵的溶氧變化都有自己的規律。如圖7-5和圖7-6，在谷氨酸和紅霉素發酵的前期，產生菌大量繁殖，需氧量不斷增加。此時的需氧量超過供氧量，使溶氧明顯下降，出現一個低峰，產生菌的攝氧率同時出現一個高峰。發酵液中的菌濃也不斷上升，對谷氨酸發酵來說，菌體仍在生長繁殖，抗生素發酵的菌濃也出現一個高峰。黏度一般在這個時期也會出現一高峰階段。這都說明產生菌正處在對數期。過了生長階段，需氧量有所減少，溶氧經過一段時間的平穩階段(如谷氨酸發酵)或隨之上升(如抗生素發酵)后，就開始形成產物，溶氧也不斷上升。谷氨酸發酵的溶氧低峰約在6～20h，而抗生素的都在10～70h，低峰出現的時間和低峰溶氧隨菌種、工藝條件和設備供氧能力不同而異。

　　發酵中后期，對于分批發酵來說，溶氧變化比較小。進入穩定期，因為菌體己繁殖到一定濃度，呼吸強度變化也不大，如不補加基質，發酵液的攝氧率變化也不大，供氧能力仍保持不變，溶氧變化也不大。但當外界進行補料(包括碳源、前體、消泡劑)，則溶氧就會發生改變，變化的大小和持續時間的長短，則隨補料時的菌齡、補入物質的種類和劑量不同而不同。如補加糖后，發酵液的攝氧率就會增加，引起溶氧下降，經過一段時間后又逐步回升；如繼續補糖，甚至降至c臨界以下，而成為生產的限制因素。在生產后期，由于菌體衰老，呼吸強度減弱，溶氧也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧更會明顯上升。

　　在發酵過程中，有時出現溶氧明顯降低或明顯升高的異常變化，常見的是溶氧下降。造成異常變化的原因有兩方面：耗氧或供氧出現了異常因素或發生了障礙。據已有資料報道，引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：①污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在較短時間內下降到零附近，如果雜菌本身耗氧能力不強，溶氧變化就可能不明顯；②菌體代謝發生異?，F象，需氧要求增加，使溶氧下降；③某些設備或工藝控制發生故障或變化，也可能引起溶氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。又如消泡劑因自動加油器失靈或人為加量太多，也會引起溶氧迅速下降。其他影響供氧的工藝操作，如停止攪拌、悶罐(罐排氣閥封閉)等，都會使溶氧發生異常變化。

　　引起溶氧異常升高的原因，在供氧條件沒有發生變化的情況下，主要是耗氧出現改變，如菌體代謝出現異常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特別是污染烈性噬菌體，影響最為明顯，產生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌體破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直線上升。

　　由上可知，從發酵液中的溶氧變化，就可以了解微生物生長代謝是否正常，工藝控制是否合理，設備供氧能力是否充足等問題，幫助我們查找發酵不正常的原因和控制好發酵生產。

四、溶氧濃度控制

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　　液相體積氧傳遞系數KLα代表氧由氣相至液相傳遞的難易程度，它與發酵過程控制、放大和反應器設計密切相關。當發酵液中溶氧濃度保持穩定，即發酵過程中的氧傳遞量與氧消耗量達到平衡時。

　　當微生物的耗氧速率r不變，同時液相飽和溶氧濃度c*不變，KLα愈大，液相實際溶氧濃度cL愈高，故可用KLα的變化來衡量發酵罐的通氣效率。

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　　發酵液的溶氧濃度，是由供氧和需氧兩方面所決定的。也就是說，當發酵的供氧量大于需氧量，溶氧就上升，直到飽和；反之就下降。因此要控制好發酵液中的溶氧，需從這兩方面著手。

　　在供氧方面，主要是設法提高氧傳遞的推動力和液相體積氧傳遞系數KLɑ值。結合生產實際，在可能的條件下，采取適當的措施來提高溶氧，如調節攪拌轉速或通氣速率來控制供氧。但供氧量的大小還必須與需氧量相協調，也就是說，要有適當的工藝條件來控制需氧量，使產生菌的生長和產物生成對氧的需求量不超過設備的需求量不超過設備的供氧能力，使產生菌發揮出最大的生產能力。這對生產實際具有重要的意義。

　　發酵液的需氧量，受菌濃、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。發酵液的攝氧速率OUR是隨菌濃增加而按比例增加，但傳氧速率OTR是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比生長速率（菌株維持具有較高產物合成酶活性的“壯年”細胞占優勢都必須滿足一個最低比生長速率，低于它，老齡細胞將逐漸占優勢，致使產物合成能力下降。這一最低比生長速率就叫臨界比生長速率，以μ臨表示）略高一點的水平，達到最適菌濃[即c(X)臨]，菌體的生產率最高。這是控制最適溶氧濃度的重要方法。最適菌濃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?？刂谱钸m的菌濃可以通過控制基質的濃度來實現。如青霉素發酵，就是通過控制補加葡萄糖的速率達到最適菌濃?，F已利用敏感型的溶氧電極傳感器來控制青霉素發酵，利用溶氧的變化來自動控制補糖速率，間接控制供氧速率和pH值，實現菌體生長、溶氧和pH值三位一體的控制體系。

　　除控制補料速度外，在工業上，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。