微生物发酵中溶氧浓度的控制研究

李昶志，潘忠成，翁 婧，李蒲民

(1.陕西省公共资源交易中心，陕西 西安 710061；2.陕西麦可罗生物科技有限公司，陕西 西安 712004)

1 引言

我国在微生物研究方面取得重要进展。微生物在发酵过程中起着重要的作用，而发酵液的含量决定着微生物生长的进度和好坏，因此溶氧浓度直接影响到微生物的代谢成果。适宜的发酵环境，合理的控制微生物的作用是微生物发酵的重要手段。溶氧浓度一般指氧气溶解于液体的密度。标准情况下是在25 ℃的大气压力下进行测试，一般浓度为0.25 mmol/L。而微生物在进行发酵时，会消耗氧气的溶解度，氧气的浓度与所处的温度和压力有关，其中一种增大就会上升，简称DO。而DO是微生物发酵中一种重要的数据参数，主要决定着发酵过程中的稳定和代谢成果，参数DO的好与坏直接影响到微生物发酵的和生产成本，因此企业高度重视这项参数的研究。

2 溶氧浓度对微生物发酵的主要影响

2.1 对微生物的生长影响

首先在微生物的生长中，高浓度的溶氧浓度会对微生物发酵产生负面影响，据专家研究分析超高的溶氧浓度不仅会大量消耗能量，发酵过程中还会产生泡沫，影响正常发酵，而且在这一过程中会出现新生氧、超氧化物基或者羟基自由基等分子，以致破坏了原有的微生物细胞结构。专家还曾对球形芽孢杆菌进行了研究，通过研究表明，芽孢的生长和溶氧浓度有重要的关系，研究表明溶氧浓度越高，芽孢生长越快越多，但高到一定程度时，芽孢的形成反而下降。因此总结来看芽孢在生长过程中初期需要充足的氧气供应，有助于芽孢的大量生产，而到了芽孢生长的成熟期时，过高的氧气会使芽孢出现自溶现象，大大降低了芽孢的生长效率。专家华瞡薇曾在黄原胶发酵条件的研究中,发现发酵液中的溶氧浓度对菌体生长速率影响不大,但是对菌体浓度达到最大之后的菌体的稳定期的长短却有着明显的影响。

溶氧浓度还会影响到微生物酶的活性以及代谢途径，长期下去对微生物的生长和代谢都产生破坏，使代谢产物降低。在目前的生物科学技术水平下，研究表示溶氧浓度不同时，所发酵出来的谷氨酸所需的两种不同的酶以及代谢情况都会产生影响。据数据显示，溶氧浓度在低浓度下，三羧酸的效果会降低，不能和葡萄糖酵解的效果相适应，不能稳定平衡条件，另外，还致使LDH的生命力，让代谢产物出现大量的乳酸；在溶氧浓度较高的情况下，GDH的活性便下降了许多，从而促进三羧酸的活力，产生大量的CO2，导致碳源损失，因此，以上两种情况都会影响到谷氨酸的正常生成。

2.2 对微生物的代谢影响

微生物在发酵的不同阶段对氧气的需求程度也不同，例如在生产透明质酸时，溶氧浓度在透明质酸的影响下会出现两个相反的平衡作用。一个是当溶氧上升时可以促进透明质酸的生成。因为透明质酸是菌体荚膜的主要成分，主要保护A族和C族链球菌防止受到外界氧自由基的袭击。而另一个是当溶氧浓度不断提高时，加快了氧自由基的生长，大大增强了破坏A族链球菌的能力。以50%溶氧值作为一个交接点，过高会降低HA分子量，过度会影响到菌群的正常生长，因此，溶氧浓度是微生物发酵中的一重要因素,好氧发酵中通常需要供给大量的空气才能满足微生物对溶氧的需求。

3 溶氧浓度的电极工作原理

在进行溶氧浓度电极工作时，通常是极谱型电极用作溶氧电极,阳极为Ag/Ag Cl、阴极为铂金(Pt),两者之间充满电解液,然后利用硅橡胶渗透膜包绑于电极四周。应用这种方法时还要适当的进行恒定极化电压，当氧气穿过渗透性膜再由发酵液进入到电解液时，氧气就会被阴极还原，从而检测出电流。而测出的电流大小与氧气通过阴极的速率相关系。因此，测出的电流就是氧气到阴极的速率，甚至又与氧气到外面的速率、跨膜的速率等有关。如果把溶氧浓度电极上产生的各种现象都全部抛去，则氧气通过阴极的速率和氧气进行跨膜运输的速率成正比，但氧气在发酵液中传播的速率和氧气的总浓度也呈一定的比例关系。反之，当氧气浓度调整到零时，跨膜速率则与发酵液中的溶氧浓度成正比。

4 影响溶氧浓度的主要因素

4.1 发酵罐通气量的影响

通过发酵罐通氧气可能会影响到溶氧浓度进入微生物中的量度。微生物在发酵时也在不断的生长，不断增加的菌体所需的氧气也就加大，如果停止了氧气的传输，瓶中的氧气就会被微生物消耗完。因此，在企业生产中一般会安装阀门进行很好的调节运输工作。

4.2 搅拌速率的影响

在电极中，会消耗大量的氧气，由于电极信号和氧渗透膜传递存在正相关，传递的速率又与跨膜速率有关，因此加快跨膜速率就等于增加氧的溶解浓度，但跨膜速率也有一定的极限，当电极发出信号为最好时间，产生的数据也比较准确。而且，再加上搅拌的过程中会使产生的泡沫分散，随着液体流动并逐渐消失，从而使得液体和氧气更好的融合，把空气合理的搅拌下快速转化成小气泡，增加液体和气体的传递速度以及面积从而提高溶氧浓度，最为关键的是溶氧电极工作之前进行有序的搅拌工作。

4.3 适宜的温度影响

微生物在发酵时要合理把控温度，哪怕只是0.5 ℃之间的波动，也会对电极产生很大的影响。据可靠数据显示，微生物发酵温度一般在30 ℃左右，其中也会存在将近3%℃的电极测量误差。而且溶氧浓度的变化周期一般为2～3 min一次，明显显示出温度对它的影响之大。过高或过低的温度将产生大幅度的漂移。企业在进行微生物发酵时要严格把握好温度的适宜范围，减少温度带来的影响程度。另外，在操作发酵罐时，准确标好电极温度，防止有的电极自身存在温度，以致后续数据不准确，有条件可安装温度传感器，进行时刻测量温度。

5 溶氧浓度的主要调节措施

调节溶氧浓度主要就是为了使发酵液维持在适宜的环境下，以便微生物正常生长从而起到发酵作用，获得高质量高产量代谢物。一般调控需要参考溶氧浓度的测量值、氧气含量检测值，微生物发酵速度值以及当前大气压、温度等具体数据信息。而真正微生物发酵溶氧浓度测量时，结构非常复杂，既受到外部环境的影响还有内部的微生物等因素。可以从以下3个方面进行调控。

5.1 配制合理的氧气溶解度

一般控制溶氧浓度的直接方法是合理控制氧气通气量，通过气压传递到溶液里面。在微生物发酵初期，因为菌体密度大，需要大量氧气进行发酵，可以减少瓶装溶液量或者加快搅拌和转速，速度越快氧气通入的也越多。不同的菌体发酵也有不同的方法，比如高密度培养需要通入纯氧，而厌氧型发酵所需氧含量不高，则要降低。生活中的啤酒发酵就属于厌氧型发酵。而且，由于氧气是难溶性气体，需要控制合理的压力和温度才能使溶氧浓度最大，在近几年的微生物研究中表明溶氧对L-天冬酞胺酶发酵的影响及其控制中,采用在发酵液中添加氧载体(5%正十二烷)的方式来增加DO,提高L-天冬酞胺酶的发酵水平(21%左右)。

5.2 调节氧气的跨膜传递速率

氧气在进行跨膜传递时对电动机的搅拌速度、空气流速、消泡剂、发酵液成分及理化性质、发酵液温度等有重要的关系，当适当的调节控制好搅拌速度、控制流速、以及适宜的温度时，可以加快氧气跨膜传递的速率，从而促进微生物发酵的效率。另外，消泡剂有一定的辅助功能，可以适当的降低发酵中产生的泡沫，而这些泡沫会阻碍氧气的正常运输。

5.3 合理控制微生物摄入的氧气量

微生物在进行摄氧时，与微生物的种类、微生物的生长状态、接种量感染杂菌等因素有关，比如需氧型微生物发酵时如果接种量、耗氧量、以及摄氧率都非常的高，将严重影响到溶氧浓度的反映。在特殊情况下溶氧浓度反映越剧烈，发酵液的pH值波动越大，则表示发酵液已经被杂菌感染。

6 结语

在微生物的发酵过程中，溶氧浓度对微生物的生长和代谢产物有着重要的作用。因此，微生物发酵的成功或失败溶氧浓度起着主导地位，企业要合理控制溶氧浓度总结起来需要对氧气的溶解度、氧气的跨膜运输效率以及微生物的摄氧量进行研究。微生物发酵是一个动态的过程，因此溶氧浓度的调控也是动态的，依据当前发酵的实际情况，进行适当的调节和方法，使溶氧浓度达到合适的作用水平。

最近几年，我国科技水平和人工智能快速发展，而微生物的研究在其中慢慢发展起来，从最开始的测量溶氧浓度，分析反馈问题，再发展到溶氧浓度的自动化控制为一体，这一系列的成果不断提高。比如相关专家就对这类溶氧浓度进行研究分析，结果表明溶氧浓度可以和葡萄糖产生脉冲进而发生反应，出现震荡的现象就表明大肠杆菌正在生长，从而检验处是否有乙酸产生，据数据表示这是当前较高的生物技术水平。另外，在溶氧电极方面，添加脉冲信号可以准确地检验出乙酸的存在，应通过底物的反馈速率，降低了出现乙酸的概率，甚至提高了底物消耗的速度。