發(fā)酵過程溶解氧濃度的變化及其控制

在發(fā)酵過程中，在定的發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶解氧濃度變化都有自身的規(guī)律。通常，溶解氧濃度變化分三個(gè)階段。在對數(shù)生長期，DO值下降明顯，從其下降的速率可大致估計(jì)菌的生長情況；至對數(shù)生長期末期，會(huì)出現(xiàn)溶解氧低谷；在發(fā)酵后期，由于菌體衰老，呼吸強(qiáng)度減弱，溶解氧濃度也會(huì)逐步上升，旦菌體自溶，溶解氧濃度上升會(huì)更明顯。

對和生產(chǎn)來說，在發(fā)酵前期，產(chǎn)生菌大量繁殖，需氧量不斷增加，使溶解氧濃度迅速下降，出現(xiàn)低峰，而在這個(gè)時(shí)期，產(chǎn)生菌的攝氧率同時(shí)出現(xiàn)高峰，菌體濃度和黏度般也在此時(shí)出現(xiàn)高峰；過了生長階段，進(jìn)入產(chǎn)物合成期，需氧量有所減少，這個(gè)階段的溶解氧水平相對比較穩(wěn)定。

隨菌種的活力、接種量以及培養(yǎng)基的不同，DO值在培養(yǎng)初期開始明顯下降的時(shí)間也不同。對發(fā)酵來說，大約在發(fā)酵的10～20h出現(xiàn)溶解氧的低峰；而抗生素的溶解氧低峰在10~70h。發(fā)酵過程中，DO值低谷到來的遲早與低谷時(shí)的DO水平還會(huì)隨工藝和設(shè)備條件（如發(fā)酵過程中補(bǔ)料、加消泡劑等操作工藝）的不同而異。在合成期補(bǔ)糖后，產(chǎn)物合成期發(fā)酵液的攝氧率就會(huì)增加，引起溶解氧濃度下降，經(jīng)過段時(shí)間后又逐步回升并接近原來的溶解氧濃度；如繼續(xù)補(bǔ)糖，又會(huì)繼續(xù)下降，甚至降至臨界氧濃度以下，而成為生產(chǎn)的限制因素。出現(xiàn)二次生長時(shí)，DO值往往會(huì)從低谷處逐漸上升，到定高度后又開始下降-這是微生物開始利用第二種基質(zhì)（通常為遲效碳源）的表現(xiàn)。

在發(fā)酵過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)溶解氧濃度明顯降低或明顯升高的異常變化。其原因很多，但本質(zhì)上都是由耗氧或供氧方面出現(xiàn)了變化所引起的氧的供需不平衡所致。

在發(fā)酵過程中溶解氧異常下降可能有下列原因：①污染好氧雜菌，大量的溶解氧被消耗掉，使溶解氧在較短時(shí)間內(nèi)下降到零附近；②菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加，使溶解氧下降；③影響供氧的設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也能引起溶解氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌速率變慢，影響供氧能力，使溶解氧降低。引起溶解氧異常升高的原因主要是耗氧量的顯著減少將導(dǎo)致溶解氧異常升高，如污染烈性噬菌體，使生產(chǎn)菌呼吸受到抑制，溶解氧上升，當(dāng)菌體破裂后，失去呼吸能力，溶解氧直線上升。

發(fā)酵液中DO值的任何變化都是氧的供需不平衡的結(jié)果。也就是說，在發(fā)酵過程中當(dāng)供氧量大于耗氧量時(shí)，溶解氧濃度就上升；反之就下降。因此，要控制好發(fā)酵液中的溶解氧濃度，需從供氧和耗氧這兩個(gè)方面著手。

供氧方面，由氧的傳遞速率方程OTR=KLa（c*-cL）可知，凡是能使KLa和C*增加的因素都能使發(fā)酵供氧得到改善。因此，主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動(dòng)力和容積氧傳遞系數(shù)KLa。發(fā)酵液中氧的飽和濃度c*主要受溫度、罐壓及發(fā)酵液性質(zhì)的影響。而這些參數(shù)在優(yōu)化了的工藝條件下，已經(jīng)很難改變。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中通常從提高氧的容積氧傳遞系數(shù)KL著手，提高設(shè)備的供氧能力。除增加通氣量外，般是改善攪拌條件。通過提高攪拌轉(zhuǎn)速或通氣流速、降低發(fā)酵液的黏度等來提高KLa值，從而提高供氧能力。改變攪拌器直徑或轉(zhuǎn)速可增加功率輸出，從而提高a值。另外，改變擋板的數(shù)目和位置，使攪拌時(shí)發(fā)酵液流態(tài)發(fā)生變化，也能提高a值。近年來，通過加入傳氧中間介質(zhì)來提高生物應(yīng)用的傳氧系數(shù)的方法已引起了廣泛關(guān)注。傳氧中間介質(zhì)有血紅蛋白、石蠟等。

耗氧方面，發(fā)酵過程的耗氧量受菌體濃度、營養(yǎng)基質(zhì)的種類與濃度、培養(yǎng)條件等因素影響，其中以菌體濃度的影響為明顯。通過營養(yǎng)基質(zhì)濃度來控制菌的比生長速率，使其保持在比臨界氧濃度略高點(diǎn)的水平進(jìn)行發(fā)酵，達(dá)到適菌體濃度，這是控制適溶解氧濃度的重要方法。如發(fā)酵，就是通過控制補(bǔ)加葡萄糖的速率來控制菌體濃度，從而控制溶解氧濃度。

DO值只是發(fā)酵參數(shù)之，它對發(fā)酵過程的影響還必須與其他參數(shù)配合起來分析。內(nèi)外都有將DO值與尾氣中的氧氣、二氧化碳，ph以及補(bǔ)料起控制進(jìn)行發(fā)酵的成功例子。控制的原則是加糖速率應(yīng)正好使培養(yǎng)物處在半饑餓狀態(tài)，即僅能維持菌的正常生理代謝的狀態(tài)，而把更多的糖用于產(chǎn)物的合成，并且其攝氧率不至于超過設(shè)備的供氧能力。