一、溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響

溶氧是需氧發(fā)酵控制zui重要的參數(shù)之一。由于氧在水中的溶解度很小，在發(fā)酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不斷通風(fēng)和攪拌，才能滿足不同發(fā)酵過(guò)程對(duì)氧的需求。溶氧的大小對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成及產(chǎn)量都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。如谷氨酸發(fā)酵，供氧不足時(shí)，谷氨酸積累就會(huì)明顯降低，產(chǎn)生大量乳酸和琥珀酸。

需氧發(fā)酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧高雖然有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成，但溶氧太大有時(shí)反而抑制產(chǎn)物的形成。因?yàn)?，為避免發(fā)酵處于限氧條件下，需要考查每一種發(fā)酵產(chǎn)物的臨界氧濃度和zui適氧濃度，并使發(fā)酵過(guò)程保持在zui適濃度。zui適溶氧濃度的大小與菌體和產(chǎn)物合成代謝的特性有關(guān)，這是由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。根據(jù)發(fā)酵需氧要求不同可分為三類：*類有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它們?cè)诰w呼吸充足的條件下，產(chǎn)量才zui大，如果供氧不足，氨基酸合成就會(huì)受到強(qiáng)烈的抑制，大量積累乳酸和琥珀酸；第二類，包括異亮氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得zui高產(chǎn)量，但供氧受限，產(chǎn)量受影響并不明顯；第三類，有亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，僅在供氧受限、細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才能獲得zui大量的氨基酸，如果供氧充足，產(chǎn)物形成反而受到抑制。

氨基酸合成的需氧程度產(chǎn)生上述差別的原因，是由它們的生物合成途徑不同所引起的，不同的代謝途徑產(chǎn)生不同數(shù)量的NAD(P)H，當(dāng)然再氧化所需要的溶氧量也不同。*類氨基酸是經(jīng)過(guò)乙醛酸循環(huán)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)兩個(gè)途徑形成的，產(chǎn)生的NADH量zui多。因此NADH氧化再生的需氧量為zui多，供氧愈多，合成氨基酸當(dāng)然亦愈順利。第二類的合成途徑是產(chǎn)生NADH的乙醛酸循環(huán)或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)，產(chǎn)生的NADH量不多，因而與供氧量關(guān)系不明顯。第三類，如苯丙氨酸的合成，并不經(jīng)TCA循環(huán)，NADH產(chǎn)量很少，過(guò)量供氧，反而起到抑制作用。肌苷發(fā)酵也有類似的結(jié)果。由此可知，供氧大小是與產(chǎn)物的生物合成途徑有關(guān)。

在抗生素發(fā)酵過(guò)程中，菌體的生長(zhǎng)階段和產(chǎn)物合成階段都有一個(gè)臨界氧濃度，分別為C臨′和C臨〞。兩者的關(guān)系有：①大致相同；②C臨′﹥C臨〞③C臨′﹤C臨〞。

二、微生物對(duì)氧的需求

好氧微生物生長(zhǎng)和代謝均需要氧氣，因此供氧必須滿足微生物在不同階段的需要，在不同的環(huán)境條件下，各種不同的微生物的吸氧量或呼吸強(qiáng)度是不同的。

微生物的吸氧量常用呼吸強(qiáng)度和攝氧率兩種方法來(lái)表示，呼吸強(qiáng)度是指單位質(zhì)量的干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量，以QO2，表示，單位為mmolO2／(g干菌體•h)。當(dāng)氧成為限制性條件時(shí)，比耗氧速率為：

QO2=(QO2)mCL/（K0+CL）

(QO2)m --------zui大比耗氧速度,mol /(kg.s)

K0 --------氧的米氏常數(shù),mol /m3

CL---------- 溶解氧的濃度， mol /m3

攝氧率是指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的耗氧量，以r表示，單位為mmolO2／(L•h)。呼吸強(qiáng)度可以表示微生物的相對(duì)吸氧量，但是，當(dāng)培養(yǎng)液中有固體成分存在時(shí)，對(duì)測(cè)定有困難，這時(shí)可用攝氧率來(lái)表示。微生物在發(fā)酵過(guò)程中的攝氧率取決于微生物的呼吸強(qiáng)度和單位體積菌體濃度。

微生物的比耗氧速率的大小受多種因素影響，當(dāng)培養(yǎng)基中不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)，比耗氧速率隨溶氧濃度增加而增加，直至某一點(diǎn)，比耗氧速率不再隨溶氧濃度的增加而增加，此時(shí)的溶氧濃度稱為呼吸臨界氧濃度(criticaloxygenconcentrationOf respiration)，以Ccr表示。呼吸臨界溶氧濃度一般指不影響菌體呼吸所允許的zui低氧濃度，如對(duì)產(chǎn)物形成而言便稱為產(chǎn)物合成的呼吸臨界氧濃度。

當(dāng)不存在其他限制性基質(zhì)時(shí)，溶解氧濃度高于臨界值，細(xì)胞的比耗氧速率保持恒定；在臨界氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降，細(xì)胞處于半?yún)挌鉅顟B(tài)，代謝活動(dòng)受到阻礙。培養(yǎng)液中維持微生物呼吸和代謝所需的氧保持供氧與耗氧的平衡，才能滿足微生物對(duì)氧的利用。

由此可知，只有使溶氧濃度大于其臨界氧濃度時(shí)，才能維持菌體的zui大的比耗氧速率，以使菌體得到zui大的合成量。但由于發(fā)酵的目的是為了得到發(fā)酵的產(chǎn)物，因此，由氧饑餓而引起的細(xì)胞代謝干擾，可能對(duì)形成某些產(chǎn)物是有利的。所以，需氧發(fā)酵并不是溶氧愈大愈好。即使是一些專性好氧菌，過(guò)高的溶氧對(duì)生長(zhǎng)可能不利。氧的有害作用是通過(guò)形成新生O，超氧化物基O2-和過(guò)氧化物基O22-或羥基自由基OH-，破壞許多細(xì)胞組分體現(xiàn)的。有些帶巰基的酶對(duì)高濃度的氧敏感，好氣微生物曾發(fā)展一些機(jī)制，如形成觸酶，過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶，使其免遭氧的摧毀。溶氧高雖然有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成，溶氧太大有時(shí)反而抑制產(chǎn)物的形成。為避免發(fā)酵處于限氧條件下，需要考查每一種發(fā)酵產(chǎn)物的臨界氧濃度和zui適氧濃度，并使發(fā)酵過(guò)程保持在zui適濃度。zui適濃度的大小與菌體和產(chǎn)物合成代謝的特性有關(guān)，這是由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。發(fā)酵生產(chǎn)中，供氧的多少應(yīng)根據(jù)不同的菌種、發(fā)酵條件和發(fā)酵階段等具體情況決定。

例如谷氨酸發(fā)酵在菌體生長(zhǎng)期，希望糖的消耗zui大限度地用于合成菌體，而在谷氨酸生成期，則希望糖的消耗zui大限度地用于合成谷氨酸。因此，在菌體生長(zhǎng)期，供氧必須滿足菌體呼吸的需氧量，即r=Qo2c(X)，若菌體的需氧量得不到滿足，則菌體呼吸受到抑制，而抑制生長(zhǎng)，引起乳酸等副產(chǎn)物的積累，菌體收率降低。但是供氧并非越大越好，當(dāng)供氧滿足菌體需要，菌體的生長(zhǎng)速率達(dá)zui大值，如果再提高供氧，不但不能促進(jìn)生長(zhǎng)，造成浪費(fèi)，而且由于高氧水平抑制生長(zhǎng)。同時(shí)高氧水平下生長(zhǎng)的菌體不能有效地產(chǎn)生谷氨酸。

三、影響微生物需氧量的因素

在需氧微生物發(fā)酵過(guò)程中影響微生物需氧量的因素很多，除了和菌體本身的遺轉(zhuǎn)特性有關(guān)外，還和下列一些因素有關(guān)：

1．培養(yǎng)基

培養(yǎng)基的成分和濃度對(duì)產(chǎn)生菌的需氧量的影響是顯著的。培養(yǎng)基中碳源的種類和濃度對(duì)微生物的需氧量的影響尤其顯著。一般來(lái)說(shuō)，碳源在一定范圍內(nèi)，需氧量隨碳源濃度的增加而增加。在補(bǔ)料分批發(fā)酵過(guò)程中，菌種的需氧量隨補(bǔ)入的碳源濃度而變化，一般補(bǔ)料后，攝氧率均呈現(xiàn)不同程度的增大。

2、菌齡及細(xì)胞濃度

不同的生產(chǎn)菌種，其需氧量各異。同一菌種的不同生長(zhǎng)階段，其需氧量也不同。—般說(shuō)，菌體處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段的呼吸強(qiáng)度較高，生長(zhǎng)階段的攝氧率大于產(chǎn)物合成期的攝氧率。在分批發(fā)酵過(guò)程中，攝氧率在對(duì)數(shù)期后期達(dá)到zui大值。因此認(rèn)為培養(yǎng)液的攝氧率達(dá)zui高時(shí)，表明培養(yǎng)液中菌體濃度達(dá)到了zui大值。

3、培養(yǎng)液中溶解氧濃度的影響

在發(fā)酵過(guò)程中，培養(yǎng)液中的溶解氧濃度(CL)高于菌體生長(zhǎng)的臨界氧濃度(C長(zhǎng)臨)時(shí)，菌體的呼吸就不受影響，菌體的各種代謝活動(dòng)不受干擾；如果培養(yǎng)液中的CL低于C長(zhǎng)臨時(shí)，菌體的多種生化代謝就要受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可逆的抑制菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的現(xiàn)象。

4、培養(yǎng)條件

若干實(shí)驗(yàn)表明，微生物呼吸強(qiáng)度的臨界值除受到培養(yǎng)基組成的影響外，還與培養(yǎng)液的pH、溫度等培養(yǎng)條件相關(guān)。一般說(shuō)，溫度愈高，營(yíng)養(yǎng)成分愈豐富，其呼吸強(qiáng)度的臨界值也相應(yīng)增高。

5、有毒產(chǎn)物的形成及積累

在發(fā)酵過(guò)程中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)菌體生長(zhǎng)有毒性的如CO2等代謝產(chǎn)物，如不能及時(shí)從培養(yǎng)液中排除，勢(shì)必影響菌體的呼吸，進(jìn)而影響菌體的代謝活動(dòng)。

6、揮發(fā)性中間產(chǎn)物的損失

在糖代謝過(guò)程中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些揮發(fā)性的有機(jī)酸，它們隨著大量通氣而損失，從而影響菌體的呼吸代謝。

四、氧在發(fā)酵液中的傳遞

1、氧的傳遞阻力

在需氧發(fā)酵過(guò)程中，氣態(tài)氧必須先溶解于培養(yǎng)基中，然后才可能傳遞至細(xì)胞表面，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的擴(kuò)散作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶的位置上而被利用，參與菌體內(nèi)的氧化等生物化學(xué)反應(yīng)。氧的這一系列傳遞過(guò)程需要克服供氧方面和需氧方面的各種阻力才能完成。

2、氧的傳遞方程式

（1）雙膜理論

微生物發(fā)酵中，通入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣中含有的氧不斷溶解于培養(yǎng)液中，以供菌體細(xì)胞代謝之需。氧從氣相傳遞到液相，是氣一液相間氧的傳遞過(guò)程，在這一傳遞過(guò)程中，氣液界面的阻力1/KI可以忽略，液體主流中的傳遞阻力1/KLB很小也可忽略，此時(shí)主要的傳遞阻力存在于氣膜和液膜中。對(duì)于這種傳遞過(guò)程的描述，應(yīng)用zui廣的是雙膜理論。

這個(gè)理論假定在氣泡和包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，在界面液體一側(cè)存在著一層液膜，氣膜內(nèi)的氣體分子與液膜中的液體分子都處于層流狀態(tài)，分子之間無(wú)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，因此氧分子只能以擴(kuò)散方式，即借助于濃度差而透過(guò)雙膜，另外，氣泡內(nèi)除氣膜以外的氣體分子處于對(duì)流狀態(tài)，稱為氣流主體，在空氣主流空間的任一點(diǎn)氧分子的濃度相同，液流主體亦如此。

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