溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及控制

張俊剛 張?zhí)m峰 吳澤華

（壽光市供電公司 山東 壽光 262700）

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

1 氧在氨基酸好氧發(fā)酵過程的作用

氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)菌大多為需氧菌或兼性厭氧菌。 發(fā)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(fā)酵過程主要包括菌體生長和代謝產(chǎn)物積累2 個(gè)階段，溶解氧在氨基酸發(fā)酵中的主要作用有兩點(diǎn)：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(chǎn)生的NAD（P）H2才能被氧化生成NAD（P），確保反應(yīng)向合成氨基酸產(chǎn)物的方向進(jìn)行。因此在氨基酸發(fā)酵過程中要保持一定的溶氧量來滿足菌體生長和產(chǎn)酸的耗氧需要；溶氧的高低，應(yīng)該根據(jù)不同菌種，不同培養(yǎng)階段和培養(yǎng)條件等具體情況決定，將溶解氧控制在一個(gè)最佳水平以實(shí)現(xiàn)糖和酸最大轉(zhuǎn)化率。

1.1 溶解氧對菌體生長的影響

氨基酸發(fā)酵的前期是菌體生長的主要階段，如果發(fā)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(jìn)而影響到最終的氨基酸產(chǎn)量。 如谷氨酸發(fā)酵過程中，在菌體生長期，溶解氧濃度過低，在產(chǎn)酸期則抑制谷氨酸合成，生成大量代謝副產(chǎn)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(dǎo)致糖酸轉(zhuǎn)化率偏低[3]。

1.2 溶解氧對發(fā)酵產(chǎn)物積累的影響

氨基酸發(fā)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(chǎn)酸量才能達(dá)最大的谷氨酸系氨基酸；第二類，是合成期滿足供氧,就能達(dá)到最高產(chǎn)量，一但供氧受限，產(chǎn)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(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才能獲得最大量的氨基酸，如果供氧充足，產(chǎn)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(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中， 應(yīng)根據(jù)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(fā)酵生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生乳酸等代謝副產(chǎn)物；溶氧水平過高，耗糖慢，產(chǎn)酸較少，轉(zhuǎn)化率不高[4]。

2 溶氧量的控制

在氨基酸微生物發(fā)酵中，對溶解氧進(jìn)行控制的目的是把溶解氧濃度值穩(wěn)定控制在一定的期望值或范圍內(nèi)，以滿足菌種不同生長時(shí)期的要求。 溶解氧濃度受生物反應(yīng)器中多種物理，化學(xué)和微生物因素的影響和制約，與其它過程參數(shù)的關(guān)系也十分復(fù)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(shù)（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(shù)（h-1）

N=QO2X=r

其中：N——需氧速率[mmmol/(L·h)]

QO2——呼吸強(qiáng)度（氧的比消耗速率）[mmmol/(g·h)]

X——培養(yǎng)液中的菌體濃度(g/L)

r——攝取率[mmmol/(L·h)]

供需氧平衡時(shí)：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(gè)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(yǎng)基組成、培養(yǎng)液中氧溶解濃度、CO2 濃度的影響。呼吸強(qiáng)度隨溶解氧濃度的增加而增加， 當(dāng)溶解濃度達(dá)到呼吸臨界氧濃度時(shí)呼吸強(qiáng)度不再變化；臨界氧濃度與微生物的種類、培養(yǎng)條件、生長階段有關(guān)。

2.1 控制溶氧量

從以上推導(dǎo)不難得出，（C*-CL）是氧在發(fā)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(yǎng)會采用通入純氧的方式來提高氧分壓，進(jìn)而提高溶氧量。 但是厭氧發(fā)酵則采用其他方式將氧分壓控制在較低水平。例如，啤酒發(fā)酵，在麥汁充氧和酵母接種階段，一般要求氧含量達(dá)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(fā)酵液中加入氧載體是提高DO 值的有效方法。有實(shí)驗(yàn)表明，在發(fā)酵基質(zhì)中添加5%正十二烷，可明顯地提高發(fā)酵介質(zhì)中的溶氧水平改善供氧條件，維持溶氧的相對穩(wěn)定，增加菌體濃度，提高L 一天冬酞胺酶發(fā)酵水平（21%左右）。

表1 添加氧載體對發(fā)酵的影響

2.2 控制氧傳遞速率

要控制氧在發(fā)酵液中的傳遞速率， 主要應(yīng)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(yīng)器的傳質(zhì)性能越好。 控制KLa 的途徑主要有改變操作變量、發(fā)酵液的理化性質(zhì)和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)3 個(gè)方面。 操作變量主要有溫度、壓力，通風(fēng)量和轉(zhuǎn)速（攪拌功率）等,發(fā)酵液的理化指標(biāo)則包括發(fā)酵液的黏度、表面張力、氧的溶解度、發(fā)酵液的組成成分、發(fā)酵液的流動狀態(tài)等；發(fā)酵反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)包括發(fā)酵反應(yīng)器的類型、反應(yīng)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(guān)聯(lián)的。 另外在培養(yǎng)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(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

實(shí)際生產(chǎn)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(shí)際控制的參考指標(biāo)。

空氣流速與通氣量成正比關(guān)系，當(dāng)空氣流速增加時(shí)，發(fā)酵液空氣增多、相對密度下降，使攪拌功率降低當(dāng)空氣流量過大，通入的空氣不經(jīng)過攪拌葉的分散， 而沿著攪拌軸形成空氣通道直接溢出發(fā)酵罐，攪拌功率不再下降時(shí)空氣流速稱為“氣泛點(diǎn)”，此時(shí)KLa 也不再增加。 攪拌可增加發(fā)酵液流速，延長空氣滯留時(shí)間，但攪拌過大會導(dǎo)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(shí)增加設(shè)備負(fù)擔(dān)。

菌體自然生長曲線分為適應(yīng)期、對數(shù)期、穩(wěn)定期、衰亡期。 菌體快速生長期的呼吸商（CO2產(chǎn)生與O2吸收之比）較產(chǎn)物生產(chǎn)期的呼吸商要高。 根據(jù)菌體生長曲線可對應(yīng)繪制單位菌重的呼吸商變化曲線。 生產(chǎn)過程中通過測定實(shí)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(jù)生產(chǎn)要求及時(shí)調(diào)節(jié)O2的供應(yīng)。對一定設(shè)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(xiàn)下降，即達(dá)到菌體發(fā)酵的供氧臨界值。以后，對于一定的生產(chǎn)即可根據(jù)為其測定情況及時(shí)調(diào)節(jié)通氣量，既保證發(fā)酵生產(chǎn)，又節(jié)約資源。

3 結(jié)語

對于氨基酸生物發(fā)酵，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)溶氧控制理論的分析與指導(dǎo)，從工藝配方、工藝控制參數(shù)調(diào)整和設(shè)備構(gòu)造改造等方面入手，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，使氧的供?yīng)量與實(shí)際需求量相適應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)氨基酸發(fā)酵工藝管理的最優(yōu)化，在滿足工藝要求的同時(shí)，達(dá)到提高單位產(chǎn)量，降低生產(chǎn)的成本的目標(biāo)。

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

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

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

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