赤霉酸发酵通气量优化的初步研究

胡 涛

江西新瑞丰生化有限公司，江西新干 331307

赤霉酸是通过一种黑曲霉发酵培养代谢得到的一类次级代谢产物，被分离、鉴定和命名的一共有116种。其中在农业中应用最广泛的就是GA3（注：本文所写赤霉酸就是指GA3），在我国农业生产中发挥着巨大的作用。赤霉酸具有非常高的植物调节活性，对各种农作物的生长和发育都有很明显的调节作用。在北方，赤霉酸主要应用于葡萄、红枣、山楂、油桃等经济作物上，在花期喷洒一定浓度赤霉酸溶液可以有效提高果树的坐果率，促进果实生长发育，果树产量提高20%～30%左右。在南方，赤霉酸主要应用于杂交水稻制种上，调节水稻父母本在同一时间开花，使母本授粉率大幅提高，进一步提高了杂交水稻种子的产量，降低了种子的生产成本，为农民减轻了负担。

发酵过程中，由于是好氧发酵培养，菌体的生长和代谢需要一定量的氧气，这个时候发酵培养液中溶解氧的多少直接影响了菌体的代谢和生长。生产的不同阶段，菌体的生长和代谢在不同时间具有非常明显的差异，对氧气的需求量也有着很大不同。其中影响溶解氧的因素很多，包括通气量、搅拌转速、温度、压力等。本文仅通过对发酵生产过程溶氧的测定，初步确定了赤霉酸发酵过程分阶段控制的较适无菌空气通气量，在生产过程中应用后有效节约了大量无菌空气的输出，减少了电能的消耗。

1 材料和方法

1.1 试验设备

60m3通用式发酵罐。外盘管加六组内蛇管换热器，搅拌底层为六平叶涡轮搅拌，上三层为四宽叶叶轮浆搅拌。转速160r/min，功率155kW，电流140A。孔板流量计，溶氧电极。

1.2 发酵培养

种子液经过二级发酵扩大培养好接入60m3发酵罐进行发酵培养。接后体积控制在45m3，培养温度28℃，搅拌转速160r/min，罐压0.025MPa～0.03MPa，通气量按对照42m3/min进行试验考查溶解氧的变化情况。

温度、DO值由微机在线收集。

1.3 分析测试方法

溶氧：通过溶氧电极由计算机在线收集检测

通气量：通过孔板流量计由计算机在线收集检测。

2 结果与分析

2.1 发酵过程中DO变化规律

赤霉素发酵过程分3个阶段：

前期：菌体的对数生长期，菌体大量繁殖。

中期：菌体繁殖和衰亡保持平衡，合成大量赤霉素。

后期：菌体代谢减慢直至大量衰亡，合成赤霉素逐步减少。

根据发酵培养条件进行发酵培养，收集过程中DO值如下：

接种后，随着菌丝的不断生长繁殖，DO值逐渐下降，在80h左右达到最低值15%的最低点，然后逐渐缓慢回升。在每次补料和补糖时出现一个较低谷；

由图1可以看出，发酵过程中DO变化如以下特点：

1）0h～20h,因菌丝总量较少，呼吸强度低，DO仍在70%以上的相对较高水平；

2）20h～40h，菌丝进一步繁殖并接近基本浓度，菌体代谢旺盛，且此期间第一次补料，DO急速下降到50%左右；

3）40h～120h，菌体达到并维持基本浓度，代谢旺盛，DO处在发酵全程最低段；

4）120h～放罐前12h，代谢有所减弱，DO逐渐升高到80%以上；

5）放罐前，菌丝镜检变细变短，染色后着色浅，效价增长减缓，菌浓有所下降。

2.2 发酵过程中最适DO浓度及通气量的选择

由于发酵过程中搅拌转速是恒定的，所以DO的变化主要与通气量有关。根据DO变化曲线，我们选择将最低DO控制在20%、25%、30%以上分别进行试验，结果如下表：

放罐效价 放罐体积 放罐总亿 发酵指数对照 100 100 100 100 DO30%以上试验 98 103 102 102 DO25%以上试验 97 104 101 100 DO20%以上试验 97 103 98 98

从上表可以看出：将DO控制在30%以上时，放罐效价略低，但发酵总亿和发酵指数略有提高。综合经济效益考虑，流量分阶段控制标准如下：

1）0h～20h，20m3/min ；

2）20h～40h，30m3/min ；

3）40h～120h，42m3/min ；

4）120h～放罐，30m3/min；

经过30罐披发酵验证和综合设计，在放罐效价相当（99%）的情况下，放罐体积较对照增加约1.9m3，有效提高了设备的装料系数，大大节约了电力消耗。

3 结论

赤霉素发酵过程中，无菌空气的输入需要大量的电能，电力成本约占发酵生产成本的30%～40%。本研究通过对通气量和溶解氧的分析，在不影响整个发酵生产效率的前提下，根据微生物发酵的特点，通过调节发酵不同阶段通气量的大小，满足菌体生长代谢对氧气的基本需求。制定了上述的通气量优化方案，在近二年的对照生产中，我们制定的这套通气量方案，在实际生产中，赤霉酸的产能没有出现明显的下降。相反，由于整个发酵过程中总的通气量的降低，用于输送无菌空气的空压机的使用次数和强度有着明显的下降，有效节约了大量的电能，发酵成本得到近一步的控制，每年给企业带来了不小的经济效益。但影响溶解氧的因素非常复杂，本文仅对通气量进行了考察，其它如搅拌功率、基质浓度、温度、pH值等的影响尚待进一步探讨。

[1]王成迎，石永芝.泰乐菌素发酵中通气量与DO的分析控制。黑龙江八一农垦大学学报，2005，17(3)：82-85.