溶氧对氨基酸发酵的影响及控制

张俊刚 张兰峰 吴泽华

（寿光市供电公司 山东 寿光 262700）

利用微生物发酵生产氨基酸的技术已历半个多世纪。氨基酸生物发酵是一个复杂的生化反应过程，溶解氧是氨基酸发酵生产工艺的一个非常重要的控制参数[1]。 发酵液中溶氧的高低直接影响菌体的生长和代谢产物的积累，并最终决定着氨基酸产量的高低[2]。 因此，研究溶解氧在氨基酸微生物工业发酵中对产物生产的影响及控制策略，对氨基酸发酵工艺管理的优化和工艺过程的放大具有重要意义。笔者对氨基酸发酵工艺的供氧问题进行了分析与探讨，对增加溶氧的主要方法进行了综述，以期对氨基酸工业生产提供一定的借鉴。

1 氧在氨基酸好氧发酵过程的作用

氨基酸发酵生产菌大多为需氧菌或兼性厌氧菌。 发酵液中的氧（溶解氧）是菌体生长与代谢的必需品。氨基酸的发酵过程主要包括菌体生长和代谢产物积累2 个阶段，溶解氧在氨基酸发酵中的主要作用有两点：①参与氨基酸生物合成所必须的ATP，以完成生物氧化作用，并使菌体能够充分生长；②只有在氧的存在下，氨基酸的生物合成过程中产生的NAD（P）H2才能被氧化生成NAD（P），确保反应向合成氨基酸产物的方向进行。因此在氨基酸发酵过程中要保持一定的溶氧量来满足菌体生长和产酸的耗氧需要；溶氧的高低，应该根据不同菌种，不同培养阶段和培养条件等具体情况决定，将溶解氧控制在一个最佳水平以实现糖和酸最大转化率。

1.1 溶解氧对菌体生长的影响

氨基酸发酵的前期是菌体生长的主要阶段，如果发酵液中溶解氧的浓度受到限制，就会影响菌体的生长与繁殖，进而影响到最终的氨基酸产量。 如谷氨酸发酵过程中，在菌体生长期，溶解氧浓度过低，在产酸期则抑制谷氨酸合成，生成大量代谢副产物；反之，溶解氧浓度过高，菌体生长受到高氧抑制，生长慢，耗糖慢，造成后期菌体容易衰老，导致糖酸转化率偏低[3]。

1.2 溶解氧对发酵产物积累的影响

氨基酸发酵按照合成途径不同，需氧量的差异可分为三类，第一类，是合成期需供氧充分，产酸量才能达最大的谷氨酸系氨基酸；第二类，是合成期满足供氧,就能达到最高产量，一但供氧受限，产量会受影响但并不十分明显的是天冬氨酸系氨基酸；第三类，是只有在供氧受限、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，产物形成反而受到抑制的亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸等。因此，在实际生产应用中， 应根据合成氨基酸种类及具体需要确定溶氧控制水平。在谷氨酸发酵生产实践中发现，在谷氨酸合成期，溶氧低，会造成没有足够的氧合成谷氨酸，产生乳酸等代谢副产物；溶氧水平过高，耗糖慢，产酸较少，转化率不高[4]。

2 溶氧量的控制

在氨基酸微生物发酵中，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，以满足菌种不同生长时期的要求。 溶解氧浓度受生物反应器中多种物理，化学和微生物因素的影响和制约，与其它过程参数的关系也十分复杂。 其传递速率方程及需氧速率公式如下：

N=KLa（C*-CL）

其中：N——氧的传递速率[mmmol/（L·h）]

C*——溶液中溶解氧饱和浓度（mmol/L）

CL——溶液中溶解氧浓度（mmol/L）

KL——以浓度差为推动力的氧传递系数（m/h）

a——比表面积（单位体积溶液中所含有的气液接触面积，m2/m3），很难测定，故将其与KL合并成KLa，称为液相体积氧传递系数（h-1）

N=QO2X=r

其中：N——需氧速率[mmmol/(L·h)]

QO2——呼吸强度（氧的比消耗速率）[mmmol/(g·h)]

X——培养液中的菌体浓度(g/L)

r——摄取率[mmmol/(L·h)]

供需氧平衡时：KLa(C*-CL)=QO2X=r，KLa=r/(C*-CL)

从公式看出对DO 值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面；而影响微生物需氧量的因素有：微生物种类、生长阶段、培养基组成、培养液中氧溶解浓度、CO2 浓度的影响。呼吸强度随溶解氧浓度的增加而增加， 当溶解浓度达到呼吸临界氧浓度时呼吸强度不再变化；临界氧浓度与微生物的种类、培养条件、生长阶段有关。

2.1 控制溶氧量

从以上推导不难得出，（C*-CL）是氧在发酵液中溶解的推动力，因此控制溶氧量首先需要控制氧分压（C+）。例如有的高密度培养会采用通入纯氧的方式来提高氧分压，进而提高溶氧量。 但是厌氧发酵则采用其他方式将氧分压控制在较低水平。例如，啤酒发酵，在麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到8～1OPPM；由于氧是难溶气体，在一定的温度和压力下，DO 值有一上限；因此，向发酵液中加入氧载体是提高DO 值的有效方法。有实验表明，在发酵基质中添加5%正十二烷，可明显地提高发酵介质中的溶氧水平改善供氧条件，维持溶氧的相对稳定，增加菌体浓度，提高L 一天冬酞胺酶发酵水平（21%左右）。

表1 添加氧载体对发酵的影响

2.2 控制氧传递速率

要控制氧在发酵液中的传递速率， 主要应从KLa 的影响因素入手。 在一定意义上，KLa 的值越大， 则好氧生物反应器的传质性能越好。 控制KLa 的途径主要有改变操作变量、发酵液的理化性质和反应器的结构3 个方面。 操作变量主要有温度、压力，通风量和转速（搅拌功率）等,发酵液的理化指标则包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态等；发酵反应器的结构包括发酵反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。 有些因素也是相互关联的。 另外在培养过程中并不是维持DO 越高越好。 即使是专性好气菌，过高的DO 也可能会对生长不利。

2.3 实际生产中的应用

实际生产中可控的对溶氧影响较大的因素有通气量、 搅拌功率、罐压，另外尾气中CO2的含量也可以作为实际控制的参考指标。

空气流速与通气量成正比关系，当空气流速增加时，发酵液空气增多、相对密度下降，使搅拌功率降低当空气流量过大，通入的空气不经过搅拌叶的分散， 而沿着搅拌轴形成空气通道直接溢出发酵罐，搅拌功率不再下降时空气流速称为“气泛点”，此时KLa 也不再增加。 搅拌可增加发酵液流速，延长空气滞留时间，但搅拌过大会导致剪切力变大易损伤菌丝。 搅拌功率见上文公式：P=Kd5n3ρ。 增加罐压可提高氧的分压，但会减小气泡体积，会较少气液接触面积，但同时增加设备负担。

菌体自然生长曲线分为适应期、对数期、稳定期、衰亡期。 菌体快速生长期的呼吸商（CO2产生与O2吸收之比）较产物生产期的呼吸商要高。 根据菌体生长曲线可对应绘制单位菌重的呼吸商变化曲线。 生产过程中通过测定实际尾气中CO2和O2变化情况， 对比呼吸商变化曲线可了解菌体的生长情况，并根据生产要求及时调节O2的供应。对一定设备而言，固定搅拌功率和罐压，通气量对KLa的影响曲线如下图[4]：

通入过大的通气量， 利用O2/CO2测定仪测定呼吸商饱和变化曲线；然后降低通气量，直到呼吸商出现下降，即达到菌体发酵的供氧临界值。以后，对于一定的生产即可根据为其测定情况及时调节通气量，既保证发酵生产，又节约资源。

3 结语

对于氨基酸生物发酵，在实际生产中，应根据溶氧控制理论的分析与指导，从工艺配方、工艺控制参数调整和设备构造改造等方面入手，采取适当的措施，使氧的供应量与实际需求量相适应，从而实现氨基酸发酵工艺管理的最优化，在满足工艺要求的同时，达到提高单位产量，降低生产的成本的目标。

［1］彭珍荣.微生物资源与氨基酸的生产和应用[J].化学与生物工程，2003，20(6)：7-8.

［2］陈宁.氨基酸工艺学[M].北京:中国轻工业出版社，2007:47-59.

［3］王营，董亮，张雁铃，等.谷氨酸发酵标准溶解氧水平的确定[J].食品与发酵工业，2005，31(9):42-44.

［4］王宏龄，张国峰.溶解氧在谷氨酸发酵中的应用[J].发酵科技通讯，2005,34(1):4-6，12.