溶氧對氨基酸發酵的影響及控制

張俊剛 張蘭峰 吳澤華

（壽光市供電公司 山東 壽光 262700）

利用微生物發酵生產氨基酸的技術已歷半個多世紀。氨基酸生物發酵是一個復雜的生化反應過程，溶解氧是氨基酸發酵生產工藝的一個非常重要的控制參數[1]。 發酵液中溶氧的高低直接影響菌體的生長和代謝產物的積累，并最終決定著氨基酸產量的高低[2]。 因此，研究溶解氧在氨基酸微生物工業發酵中對產物生產的影響及控制策略，對氨基酸發酵工藝管理的優化和工藝過程的放大具有重要意義。筆者對氨基酸發酵工藝的供氧問題進行了分析與探討，對增加溶氧的主要方法進行了綜述，以期對氨基酸工業生產提供一定的借鑒。

1 氧在氨基酸好氧發酵過程的作用

氨基酸發酵生產菌大多為需氧菌或兼性厭氧菌。 發酵液中的氧（溶解氧）是菌體生長與代謝的必需品。氨基酸的發酵過程主要包括菌體生長和代謝產物積累2 個階段，溶解氧在氨基酸發酵中的主要作用有兩點：①參與氨基酸生物合成所必須的ATP，以完成生物氧化作用，并使菌體能夠充分生長；②只有在氧的存在下，氨基酸的生物合成過程中產生的NAD（P）H2才能被氧化生成NAD（P），確保反應向合成氨基酸產物的方向進行。因此在氨基酸發酵過程中要保持一定的溶氧量來滿足菌體生長和產酸的耗氧需要；溶氧的高低，應該根據不同菌種，不同培養階段和培養條件等具體情況決定，將溶解氧控制在一個最佳水平以實現糖和酸最大轉化率。

1.1 溶解氧對菌體生長的影響

氨基酸發酵的前期是菌體生長的主要階段，如果發酵液中溶解氧的濃度受到限制，就會影響菌體的生長與繁殖，進而影響到最終的氨基酸產量。 如谷氨酸發酵過程中，在菌體生長期，溶解氧濃度過低，在產酸期則抑制谷氨酸合成，生成大量代謝副產物；反之，溶解氧濃度過高，菌體生長受到高氧抑制，生長慢，耗糖慢，造成后期菌體容易衰老，導致糖酸轉化率偏低[3]。

1.2 溶解氧對發酵產物積累的影響

氨基酸發酵按照合成途徑不同，需氧量的差異可分為三類，第一類，是合成期需供氧充分，產酸量才能達最大的谷氨酸系氨基酸；第二類，是合成期滿足供氧,就能達到最高產量，一但供氧受限，產量會受影響但并不十分明顯的是天冬氨酸系氨基酸；第三類，是只有在供氧受限、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的亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸等。因此，在實際生產應用中， 應根據合成氨基酸種類及具體需要確定溶氧控制水平。在谷氨酸發酵生產實踐中發現，在谷氨酸合成期，溶氧低，會造成沒有足夠的氧合成谷氨酸，產生乳酸等代謝副產物；溶氧水平過高，耗糖慢，產酸較少，轉化率不高[4]。

2 溶氧量的控制

在氨基酸微生物發酵中，對溶解氧進行控制的目的是把溶解氧濃度值穩定控制在一定的期望值或范圍內，以滿足菌種不同生長時期的要求。 溶解氧濃度受生物反應器中多種物理，化學和微生物因素的影響和制約，與其它過程參數的關系也十分復雜。 其傳遞速率方程及需氧速率公式如下：

N=KLa（C*-CL）

其中：N——氧的傳遞速率[mmmol/（L·h）]

C*——溶液中溶解氧飽和濃度（mmol/L）

CL——溶液中溶解氧濃度（mmol/L）

KL——以濃度差為推動力的氧傳遞系數（m/h）

a——比表面積（單位體積溶液中所含有的氣液接觸面積，m2/m3），很難測定，故將其與KL合并成KLa，稱為液相體積氧傳遞系數（h-1）

N=QO2X=r

其中：N——需氧速率[mmmol/(L·h)]

QO2——呼吸強度（氧的比消耗速率）[mmmol/(g·h)]

X——培養液中的菌體濃度(g/L)

r——攝取率[mmmol/(L·h)]

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

從公式看出對DO 值的控制主要集中在氧的溶解和傳遞兩個方面；而影響微生物需氧量的因素有：微生物種類、生長階段、培養基組成、培養液中氧溶解濃度、CO2 濃度的影響。呼吸強度隨溶解氧濃度的增加而增加， 當溶解濃度達到呼吸臨界氧濃度時呼吸強度不再變化；臨界氧濃度與微生物的種類、培養條件、生長階段有關。

2.1 控制溶氧量

從以上推導不難得出，（C*-CL）是氧在發酵液中溶解的推動力，因此控制溶氧量首先需要控制氧分壓（C+）。例如有的高密度培養會采用通入純氧的方式來提高氧分壓，進而提高溶氧量。 但是厭氧發酵則采用其他方式將氧分壓控制在較低水平。例如，啤酒發酵，在麥汁充氧和酵母接種階段，一般要求氧含量達到8～1OPPM；由于氧是難溶氣體，在一定的溫度和壓力下，DO 值有一上限；因此，向發酵液中加入氧載體是提高DO 值的有效方法。有實驗表明，在發酵基質中添加5%正十二烷，可明顯地提高發酵介質中的溶氧水平改善供氧條件，維持溶氧的相對穩定，增加菌體濃度，提高L 一天冬酞胺酶發酵水平（21%左右）。

表1 添加氧載體對發酵的影響

2.2 控制氧傳遞速率

要控制氧在發酵液中的傳遞速率， 主要應從KLa 的影響因素入手。 在一定意義上，KLa 的值越大， 則好氧生物反應器的傳質性能越好。 控制KLa 的途徑主要有改變操作變量、發酵液的理化性質和反應器的結構3 個方面。 操作變量主要有溫度、壓力，通風量和轉速（攪拌功率）等,發酵液的理化指標則包括發酵液的黏度、表面張力、氧的溶解度、發酵液的組成成分、發酵液的流動狀態等；發酵反應器的結構包括發酵反應器的類型、反應器各部分尺寸的比例、空氣分布器的形式等。 有些因素也是相互關聯的。 另外在培養過程中并不是維持DO 越高越好。 即使是專性好氣菌，過高的DO 也可能會對生長不利。

2.3 實際生產中的應用

實際生產中可控的對溶氧影響較大的因素有通氣量、 攪拌功率、罐壓，另外尾氣中CO2的含量也可以作為實際控制的參考指標。

空氣流速與通氣量成正比關系，當空氣流速增加時，發酵液空氣增多、相對密度下降，使攪拌功率降低當空氣流量過大，通入的空氣不經過攪拌葉的分散， 而沿著攪拌軸形成空氣通道直接溢出發酵罐，攪拌功率不再下降時空氣流速稱為“氣泛點”，此時KLa 也不再增加。 攪拌可增加發酵液流速，延長空氣滯留時間，但攪拌過大會導致剪切力變大易損傷菌絲。 攪拌功率見上文公式：P=Kd5n3ρ。 增加罐壓可提高氧的分壓，但會減小氣泡體積，會較少氣液接觸面積，但同時增加設備負擔。

菌體自然生長曲線分為適應期、對數期、穩定期、衰亡期。 菌體快速生長期的呼吸商（CO2產生與O2吸收之比）較產物生產期的呼吸商要高。 根據菌體生長曲線可對應繪制單位菌重的呼吸商變化曲線。 生產過程中通過測定實際尾氣中CO2和O2變化情況， 對比呼吸商變化曲線可了解菌體的生長情況，并根據生產要求及時調節O2的供應。對一定設備而言，固定攪拌功率和罐壓，通氣量對KLa的影響曲線如下圖[4]：

通入過大的通氣量， 利用O2/CO2測定儀測定呼吸商飽和變化曲線；然后降低通氣量，直到呼吸商出現下降，即達到菌體發酵的供氧臨界值。以后，對于一定的生產即可根據為其測定情況及時調節通氣量，既保證發酵生產，又節約資源。

3 結語

對于氨基酸生物發酵，在實際生產中，應根據溶氧控制理論的分析與指導，從工藝配方、工藝控制參數調整和設備構造改造等方面入手，采取適當的措施，使氧的供應量與實際需求量相適應，從而實現氨基酸發酵工藝管理的最優化，在滿足工藝要求的同時，達到提高單位產量，降低生產的成本的目標。

［1］彭珍榮.微生物資源與氨基酸的生產和應用[J].化學與生物工程，2003，20(6)：7-8.

［2］陳寧.氨基酸工藝學[M].北京:中國輕工業出版社，2007:47-59.

［3］王營，董亮，張雁鈴，等.谷氨酸發酵標準溶解氧水平的確定[J].食品與發酵工業，2005，31(9):42-44.

［4］王宏齡，張國峰.溶解氧在谷氨酸發酵中的應用[J].發酵科技通訊，2005,34(1):4-6，12.