溶氧在发酵工程中的重要性

速率影响不大,但是对菌体浓度达到最大之后的
菌体的稳定期的长短及产品质量却有着明显的 影响。需氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖 性。谷氨酸发酵中，高溶氧条件下乳酸脱氢酶
(LDH)活性明显比低溶氧条件下的 LDH 酶活要低，
产酸中后期谷氨酸脱氢酶(GDH)的酶活下降很快,
是一直陪着她走那阴暗的岁月，她曾经想要追随父亲而去天堂的念想
培养，后期严格控制 DO 进行厌氧发酵。厌氧和
微好氧微生物能耐受坏境中的氧，但它们的生长
并不需要氧，这些微生物在发酵生产中应用较 少。而对于专性厌氧微生物，氧则可对其显示毒 性，如产甲烷杆菌，此时能否限制 DO 在一个较
低值往往成为发酵成败的关键。溶解氧对微生物
自身生长的影响体现在多个方面，其中对微生物
啤酒中的含氧量不得超过 2PPM。此外，由于氧是 难溶气体，一定温度和压力下，DO 值有一上限。 为此，向发酵液中加入氧载体是提高 DO 值的一
个行之有效的方法。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-天冬酞胺酶发酵水平(21% 左右)。（二）控制氧传递速率。氧传递速率主要
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酶的影响是不可忽略的重要因素。研究了不同溶 氧对谷氨酸发酵中两个关键酶(谷氨酸脱氢酶 GDH 和乳酸脱氢酶 LDH)和代谢流的影响,研究表
明,在过低溶氧条件下,TCA 循环代谢流量减小,
不足以平衡葡萄糖酵解速率,从而刺激了 LDH 的
酶活,使代谢流转向乳酸生成,造成乳酸积累;而 过高溶氧， GDH 酶活明显降低,且 TCA 循环流量加 大,生成大量 CO2,造成碳源损失,两种情况均不
处理污水的过程中，DO 的影响及控制也十分重 要。曝气池中氧气不足和过量都会对微生物生存 环境带来不利影响.当氧气不足时,一方面由于
曝气池中丝状菌会大量繁殖,最终产生污泥膨胀;
另一方面会降低细菌分解的效果,延长处理时间,
甚至导致生物处理失效.而氧气过量(即过量曝 气)则会由于絮凝剂遭到破坏而导致悬浮固体沉 降性变差,同时使能耗过高。（二）溶氧对发酵产
超氧化物 O2-和过氧化物基 O22-，破坏许多细胞 组分，进而破坏微生物生长。三、结束语发酵液 中的氧含量对菌体生长和产物形成都有着重要
的影响，溶氧量的控制主要从氧的溶解和传递两
个方面考虑。随着计算机和自动化技术的发展，
发酵工业中从 DO 的测量到分析控制都正逐步走 向自动及控制一体化模式，研究利用 DO 作为补 料的在线控制信号[9]将大大提高了发酵调控的
准确性和自动化性能。然而，在 DO 测量方面目
前使用较多的三种方法导管法，质谱电极法及电
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化学检测法因均使用膜，在检测精度和作为调控 信号响应时间方面还有待进一步提高。
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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。在微生物发酵过程中,溶解氧浓度
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与其它过程参数的关系极为复杂,受到生物反应 器中多种物理、化学和微生物因素的影响和制 约。从氧的传递速率方程也可看出，对 DO 值的
控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。（一）
这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通气和搅 拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。DO 值的高低还会改变微生物代谢途径，以致改变发
酵环境甚至使目标产物发生偏离。研究表明，L异亮氨酸的代谢流量与溶氧浓度有密切关系，可
以通过控制不同时期的溶氧来改变发酵过程中 的代谢流分布,从而改变 Ile 等氨基酸合成的代 谢流量。二、溶氧量的控制对溶解氧进行控制的
酵母采取有氧呼吸的代谢途径,从而破坏乙醇发
酵的厌氧代谢过程。但是,研究表明无氧条件下 发酵生成的乙醇低于溶氧控制在 1%-4%条件下生 成的乙醇。这主要是由于无氧条件下的菌体量远
远低于有氧条件下菌体量,而乙醇的生成与菌体
量有很大的联系。类似微生物发酵的活性污泥法
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物的影响对于好氧发酵来说，溶解氧通常既是营
养因素，又是环境因素。特别是对于具有一定氧
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化还原性质的代谢产物的生产来说， DO 的改变势 必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同时 也会对细胞生长和产物的形成产生影响。在黄原
胶发酵中，虽Hale Waihona Puke Baidu发酵液中的溶氧浓度对菌体生长
发酵液中的溶氧浓度（DissolvedOxygen， 简称 DO）对微生物的生长和产物形成有着重要的 影响。在发酵过程中，必须供给适量的无菌空气，
菌体才能繁殖和积累所需代谢产物。不同菌种及
不同发酵阶段的菌体的需氧量是不同的，发酵液
的 DO 值直接影响微生物的酶的活性、代谢途径 及产物产量。发酵过程中，氧的传质速率主要受 发酵液中溶解氧的浓度和传递阻力影响。研究溶
物、兼性好氧微生物和专性厌氧微生物。专性好 氧微生物把氧作为最终电子受体，通过有氧呼吸 获取能量，如霉菌；进行此类微生物发酵时一般
应尽可能的提高溶解氧(DO)，以促进微生物生
长，增大菌体量。兼性好氧微生物的生长不一定
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需要氧，但如果在培养中供给氧，则菌体生长更 好，如酵母菌；典型如乙醇发酵，对溶 DO 的控 制分两个阶段，初始提供高 DO 值进行菌体扩大
氧对发酵的影响及控制对提高生产效率，改善产
品质量等都有重要意义。
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一、溶氧对发酵影响溶解氧对发酵的影响分 为两方面：一是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能 量代谢，从而影响微生物生长；另一是氧直接参
与产物合成。（一）溶氧对微生物自身生长的影
响根据对氧的需求，微生物可分为专性好氧微生
酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型
等；反应器的结构指反应器的类型、反应器各部 分尺寸的比例、空气分布器的形式等。当然有些 因素是相互关联的。值得注意的是，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对生长可能不利。过量的氧形成新生O，
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控制溶氧量。(C*-CL)是氧溶解的推动力，控制
溶氧量首要因素是控制氧分压（C*）。高密度培 养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧 发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。
如啤酒发酵，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要
求氧含量达到 8～10PPM；而啤酒发酵阶段，一般
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考虑 KLa 的影响因素。从一定意义上讲，KLa 愈
大，好氧生物反应器的传质性能愈好。控制 KLa
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的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反 应器的结构 3 个部分。操作变量包括温度、压力、 通风量和转速(搅拌功率)等；发酵液的理化性质
包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发
利于谷氨酸生成。啤酒工业中，在啤酒的发酵阶
段，酵母的繁殖需要有足够的氧气，在除此之外
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的任何阶段都应极力避免氧的参与。啤酒发酵液 总含氧量由酒体溶解氧和瓶颈空气两部分组成， 一般情况下，啤酒中的含氧量超过 2PPM 时对生
产就有明显的危害。[3]因为氧气的存在会促使