发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制

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发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制
在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。
一、溶解氧对发酵的影响
    溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。

     需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。因为，为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。
    氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关
。
    在抗生素发酵过程中，菌体的生长阶段和产物合成阶段都有一个临界氧浓度，分别为C临′和C临〞。两者的关系有：①大致相同；②C临′﹥C临〞③C临′﹤C临〞。
二、微生物对氧的需求
    好氧微生物生长和代谢均需要氧气，因此供氧必须满足微生物在不同阶段的需要，在不同的环境条件下，各种不同的微生物的吸氧量或呼吸强度是不同的。
微生物的吸氧量常用呼吸强度和摄氧率两种方法来表示，呼吸强度是指单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以QO2，表示，单位为mmolO2／(g干菌体•h)。当氧成为限制性条件时，比耗氧速率为：
QO2=(QO2)mCL/（K0+CL）
(QO2)m --------最大比耗氧速度,mol /(kg.s)
K0 --------氧的米氏常数,mol /m3
CL---------- 溶解氧的浓度， mol /m3
摄氧率是指单位体积培养液在单位时间内的耗氧量，以r表示，单位为mmolO2／(L•h)。呼吸强度可以表示微生物的相对吸氧量，但是，当培养液中有固体成分存在时，对测定有困难，这时可用摄氧率来表示。微生物在发酵过程中的摄氧率取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度。
微生物的比耗氧速率的大小受多种因素影响，当培养基中不存在其他限制性基质时，比耗氧速率随溶氧浓度增加而增加，直至某一点，比耗氧速率不再随溶氧浓度的增加而增加，此时的溶氧浓度称为呼吸临界氧浓度(criticaloxygenconcentrationOf respiration)，以Ccr表示。呼吸临界溶氧浓度一般指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，如对产物形成而言便称为产物合成的呼吸临界氧浓度。
    当不存在其他限制性基质时，溶解氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定；在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降，细胞处于半厌气状态，代谢活动受到阻碍。培养液中维持微生物呼吸和代谢所需的氧保持供氧与耗氧的平衡，才能满足微生物对氧的利用。
由此可知，只有使溶氧浓度大于其临界氧浓度时，才能维持菌体的最大的比耗氧速率，以使菌体得到最大的合成量。但由于发酵的目的是为了得到发酵的产物，因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的。所以，需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。即使是一些专性好氧菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基O2-和过氧化物基O22-或羟基自由基OH-，破坏许多细胞组分体现的。有些带巯基的酶对高浓度的氧敏感，好气微生物曾发展一些机制，如形成触酶，过氧化物酶和超氧化物歧化酶，使其免遭氧的摧毁。溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，溶氧太大有时反而抑制产物的形成。为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。最适浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。发酵生产中，供氧的多少应根据不同的菌种、发酵条件和发酵阶段等具体情况决定。
    例如谷氨酸发酵在菌体生长期，希望糖的消耗最大限度地用于合成菌体，而在谷氨酸生成期，则希望糖的消耗最大限度地用于合成谷氨酸。因此，在菌体生长期，供氧必须满足菌体呼吸的需氧量，即r=Qo2c(X)，若菌体的需氧量得不到满足，则菌体呼吸受到抑制，而抑制生长，引起乳酸等副产物的积累，菌体收率降低。但是供氧并非越大越好，当供氧满足菌体需要，菌体的生长速率达最大值，如果再提高供氧，不但不能促进生长，造成浪费，而且由于高氧水平抑制生长。同时高氧水平下生长的菌体不能有效地产生谷氨酸。
三、影响微生物需氧量的因素   
    在需氧微生物发酵过程中影响微生物需氧量的因素很多，除了和菌体本身的遗转特性有关外，还和下列一些因素有关：
1．培养基
培养基的成分和浓度对产生菌的需氧量的影响是显著的。培养基中碳源的种类和浓度对微生物的需氧量的影响尤其显著。一般来说，碳源在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。在补料分批发酵过程中，菌种的需氧量随补入的碳源浓度而变化，一般补料后，摄氧率均呈现不同程度的增大。
2、菌龄及细胞浓度
    不同的生产菌种，其需氧量各异。同一菌种的不同生长阶段，其需氧量也不同。—般说，菌体处于对数生长阶段的呼吸强度较高，生长阶段的摄氧率大于产物合成期的摄氧率。在分批发酵过程中，摄氧率在对数期后期达到最大值。因此认为培养液的摄氧率达最高时，表明培养液中菌体浓度达到了最大值。
3、培养液中溶解氧浓度的影响
在发酵过程中，培养液中的溶解氧浓度(CL)高于菌体生长的临界氧浓度(C长临)时，菌体的呼吸就不受影响，菌体的各种代谢活动不受干扰；如果培养液中的CL低于C长临时，菌体的多种生化代谢就要受到影响，严重时会产生不可逆的抑制菌体生长和产物合成的现象。

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4、培养条件  
若干实验表明，微生物呼吸强度的临界值除受到培养基组成的影响外，还与培养液的pH、温度等培养条件相关。一般说，温度愈高，营养成分愈丰富，其呼吸强度的临界值也相应增高。
5、有毒产物的形成及积累
    在发酵过程中，有时会产生一些对菌体生长有毒性的如CO2等代谢产物，如不能及时从培养液中排除，势必影响菌体的呼吸，进而影响菌体的代谢活动。
6、挥发性中间产物的损失
在糖代谢过程中，有时会产生一些挥发性的有机酸，它们随着大量通气而损失，从而影响菌体的呼吸代谢。
四、氧在发酵液中的传递
1、氧的传递阻力
在需氧发酵过程中，气态氧必须先溶解于培养基中，然后才可能传递至细胞表面，再经过简单的扩散作用进入细胞内的呼吸酶的位置上而被利用，参与菌体内的氧化等生物化学反应。氧的这一系列传递过程需要克服供氧方面和需氧方面的各种阻力才能完成。
2、氧的传递方程式
（1）双膜理论
微生物发酵中，通入发酵罐内的空气中含有的氧不断溶解于培养液中，以供菌体细胞代谢之需。氧从气相传递到液相，是气一液相间氧的传递过程，在这一传递过程中，气液界面的阻力1/KI可以忽略，液体主流中的传递阻力1/KLB很小也可忽略，此时主要的传递阻力存在于气膜和液膜中。对于这种传递过程的描述，应用最广的是双膜理论。
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜，气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双膜，另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液流主体亦如此。
（一）影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
想提高C*就得降低培养温度或降低培养基中营养物质的含量，或提高发酵罐内的氧分压(即提高罐压)。这几种方法的实施均有较大的局限性。已知发酵培养基的组成和培养浓度是依据生产菌种的生理特性和生物合成代谢产物的需要而确定的，不可任意改动。但有时分批发酵的中后期，由于发酵液粘度太大，补入部分灭菌水来降低发酵液的表观粘度，改善通气效果。采用提高氧分压的方法，一是提高发酵罐压力，二是向发酵液通入纯氧气。提高罐压会减小气泡体积，减少了气—液接触面积，影响氧的传递速率，降低氧的溶解度。影响菌体的呼吸强度，同时增加设备负担。通人纯氧能显著提高CL，但此利方法既不经济又不安全，同时易出现微生物的氧中毒现象。
（2）、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。目前发酵所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一，故此种方法亦不理想。
（二）、影响液相体积氧传递系数KLa的因素
经过长时间的研究和生产实践证实，影响发酵设备的KLa的主要因素有搅拌效率、空气流速、发酵液的物理化学性质、泡沫状态、空气分布器形状和发酵罐的结构等。实验测出的KLa与搅拌效率、通气速度、发酵液理化性质等的关系可用下述的经验式表示：
    KLa=K〔 (P／V)α 〕．(VS)β(ηapp)-ω)   
式中  P／V——单位体积发酵液实际消耗的功率(指通气情况下，kW／m3)；
  VS——空气直线速度，m／h；
ηapp——发酵液表观粘度，(kg•s)／m’；
α、β、ω——指数，与搅拌器和空气分布器的形式等有关。
  K——经验常数。
1、搅拌效率对KLa的影响
发酵罐内装配搅拌器的作用有：①使发酵罐内的温度和营养物质浓度均一，使组成发酵液的三相系统充分混合；②把引入发酵液中的空气分散成小气泡，增加了气—液接触面积，提高KLa值；⑧强化发酵液的湍流程度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的流体的阻力，从而提高氧的转移速率；④减少菌丝结团，降低细胞壁周围的液膜阻力，有利于菌体对氧的吸收，同时可尽快排除细胞代谢产生的“废气”和“废物”，有利于细胞的代谢活动。应提出的是如果搅拌速度快，由于剪切速度增大，茵丝体会受到损伤，影响菌丝体的正常代谢，同时浪费能源。
2、空气流速
KLa随空气流速的增加而增加，指数β约为0.4～0.72，随搅拌器形式而异。但当空气流速过大时，搅拌器就出现“气泛”现象，KLa不再增加。“气泛”现象指的是在特定条件下，通人发酵罐内的空气流速达某一值时，使搅拌功率下降，
当空气流速再增加时，搅拌功率不再下降，此时的空气流速称为“气泛点”(Floodingpoint)。带搅拌器的发酵罐的气泛点，主要与搅拌叶的形式、搅拌器的直径和转速、空气线速度等相关。
对一定设备而言，空气流速与空气流量之间呈正相关性。空气流量的改变必然引起空气流速的变化。已知空气流速的变化会引起体积氧传递系数KLa的改变，当空气流速达气泛点时，KLa不再增加。这样，空气流量的变化也会改变KLa，当空气流量达某一值时，KLa也不再增加，如图7-5所示。所以，在发酵过程中应控制空气流速(或流量)，使搅拌轴附近的液面处没有大气泡逸出。
搅拌功率和空气流速对KLa的影响，实验测出搅拌功率对抗生素产率的影响远大于空气流速。高搅拌转速，不仅使通人罐内的空气得以充分的分散，增加气—液接触面积，而且还可以延长空气在罐内的停留时间。空流速过大，不利于空气在罐内的分散与停留，同时导致发酵液浓缩，影响氧的传递。但空气流速过低，因代谢产生的废气不能及时排除等原因，也会影响氧的传递。因此，要提高发酵罐的供氧能力，采用提高搅拌功率，适当降低空气流速，是一种有效的方法。

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3、发酵液理化性质的影响
KLa与发酵液的表观粘度ηapp呈反比。说明发酵液的流变学性质是影响KLa的主要因素之一。发酵液是由营养物质、生长的菌体细胞和代谢产物组成的。由于微生物的生长和多种代谢作用使发酵液的组成不断地发生变化，营养物质的消耗、菌体浓度、菌丝形态和某些代谢产物的合成都能引起发酵液粘度的变化，致使发酵过程中的发酵液呈现多种流变学性质。
以淀粉作碳源的培养基属于非牛顿型流体，在发酵过程中，随着微生物的生长和代谢作用，其流变学性质不断变化。如生产金霉素时，以淀粉作碳源，接种时，培养基呈平汉塑性流体性质，发酵至22小时，由于微生物的代谢作用，发酵液粘度降至很低(低于18Pa•s)，呈现牛顿型流体性质。22小时起由于菌丝体浓度不断增加，则发酵液粘度逐渐增大，直至粘度达90Pa•s、表现为涨塑性流体的性质。
发酵过程中菌体浓度和形态在氧的传递速率方面显示一定影响。许多细菌和酵母菌发酵时，发酵液粘度低，呈现牛顿型流体性质，对氧的转移没有什么影响。霉菌和放线菌发酵液多数时间属于非牛顿型流体，粘度较大，对氧的转移有较大影响。在单细胞和丝状菌发酵中，对数生长期两者的氧吸收速率是相同的，但在溶解氧浓度受到限制的条件下，达到平衡期，单细胞发酵液的氧吸收速率无变化，而丝状菌发酵液的氧吸收速率却显著下降，其原因是丝状菌发酵液的菌体浓度增加，使发酵液粘度不断增大，致使KLa值降低，进而导致菌体的氧吸收速率下降。在青霉素发酵中，由于菌丝体浓度的不断增加，使发酵液粘度不断增大，KLa却随之下降。
在沉没培养过程中，由于搅拌的作用，有的菌体(尤其是霉菌)形成不连续的球状体，有的形成交替的丝状体。一般说，球状体发酵液粘度低，呈现牛顿型流体性质，而丝状体会大大增加发酵液的粘度，呈现非牛顿型流体性质。搅拌强度影响菌体形态，高剪切速率可减少菌丝团的形成，如青霉素发酵中，高搅拌速度易使菌体产生分枝菌丝，低搅拌速度易使菌体形成菌丝团或长成长菌丝。
一般说，微生物生物合成的代谢产物对发酵液的流变学性质的影响相对说是较小的。
4、泡沫的影响
在发酵过程中，由于通气和搅拌而引起发酵液出现泡沫。如果在较稠厚的发酵液中形成流态性泡沫时，是难以消除的，其中的气体就很难得到及时的更新，直接影响微生物的呼吸。如果搅拌叶轮处于泡沫的包围之中，就会影咆气液体的充分混合，降低氧的传递速率。用消沫剂可以消除泡沫，改善气液体混合效果，提高氧的传递速率。但过多的消沫剂会聚集于细胞表面上，阻碍菌体对氧和营养物质的吸收。因此，消沫剂的用量应控制。
5、空气分布器形式和发酵罐结构的影响
在需氧发酵中，除用搅拌将空气分散成小气泡外，还可用鼓泡器来分散空气，提高通气效率。研究指出，大型环状鼓泡器的直径大于搅拌器直径时，大量的空气未经搅拌器的分散而沿罐壁逸出液面，其空气分散效果很差。所以环型鼓泡器的直径一定要小于搅拌器的直径。关于多孔环状鼓泡器和单孔式鼓泡器的通气效果，有的试验表明，当空气流量达到一定值时，单孔式鼓泡器的效果不比多孔环状鼓泡器的效果差。因为在装配有搅拌器的发酵罐中，空气的分散主要依靠搅拌的作用。所以当空气流量增大时，单孔式鼓泡器能增强发酵液的湍流程度。当前的生产实践，发酵罐内空气分布器绝大多数采用多孔环型鼓泡器5。
为了弥补一般空气搅拌罐的通气效率的不足，有人在设备上做些相应的改进，当增加发酵罐的高度，以求增加气—液接触时间，提高氧的溶解度。

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