发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制

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1、发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。一、溶解氧对发酵的影响溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。因为，为避免发酵处于限氧

2、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。最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受

3、到抑制。氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物

4、的生物合成途径有关。在抗生素发酵过程中，菌体的生长阶段和产物合成阶段都有一个临界氧浓度，分别为C临′和C临〞。两者的关系有：①大致相同；②C临′﹥C临〞③C临′﹤C临〞。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，在不同的环境条件下，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干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以QO2，表示，单位为mmolO2／(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

5、比耗氧速度,mol/(kg.s)K0--------氧的米氏常数,mol/m3CL----------溶解氧的浓度，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(critic

6、aloxygenconcentrationOfrespiration)，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

7、，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