一、溶解氧對發(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)酵過程對氧的需求。溶氧的大小對菌體生長和產(chǎn)物的形成及產(chǎn)量都會產(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)椋瑸楸苊獍l(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，它們在菌體呼吸充足的條件下，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)過乙醛酸循環(huán)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)兩個途徑形成的，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)酵過程中，菌體的生長階段和產(chǎn)物合成階段都有一個臨界氧濃度，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、微生物對氧的需求

好氧微生物生長和代謝均需要氧氣，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吸氧量，但是，當(dāng)培養(yǎng)液中有固體成分存在時(shí)，對測定有困難，這時(shí)可用攝氧率來表示。微生物在發(fā)酵過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，過高的溶氧對生長可能不利。氧的有害作用是通過形成新生O，超氧化物基O2-和過氧化物基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，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，菌體的生長速率達(dá)zui大值，如果再提高供氧，不但不能促進(jìn)生長，造成浪費(fèi)，而且由于高氧水平抑制生長。同時(shí)高氧水平下生長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微生物的需氧量的影響尤其顯著。一般來說，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階段，其需氧量也不同。—般說，菌體處于對數(shù)生長階段的呼吸強(qiáng)度較高，生長階段的攝氧率大于產(chǎn)物合成期的攝氧率。在分批發(fā)酵過程中，攝氧率在對數(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)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解氧濃度(CL)高于菌體生長的臨界氧濃度(C長臨)時(shí)，菌體的呼吸就不受影響，菌體的各種代謝活動不受干擾；如果培養(yǎng)液中的CL低于C長臨時(shí)，菌體的多種生化代謝就要受到影響，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生不可逆的抑制菌體生長和產(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，溫度愈高，營養(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)酵過程中，有時(shí)會產(chǎn)生一些對菌體生長有毒性的如CO2等代謝產(chǎn)物，如不能及時(shí)從培養(yǎng)液中排除，勢必影響菌體的呼吸，進(jìn)而影響菌體的代謝活動。

6、揮發(fā)性中間產(chǎn)物的損失

在糖代謝過程中，有時(shí)會產(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)過簡單的擴(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程，在這一傳遞過程中，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。對于這種傳遞過程的描述，應(yīng)用zui廣的是雙膜理論。

這個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)，分子之間無對流運(yùn)動，因此氧分子只能以擴(kuò)散方式，即借助于濃度差而透過雙膜，另外，氣泡內(nèi)除氣膜以外的氣體分子處于對流狀態(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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