溶氧对氨基酸发酵的影响及控制

3、溶氧高有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时会抑 制产物合成。
QO2
C临界
CL
满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度（c临界），当溶 氧溶度（cL）高于菌体生长的临界溶氧浓度（c临界）时，菌体 的各种代谢活动不受干扰，反之则反。
一般好氧微生物的c临界很低，大约为饱和氧浓度1%~25%。
定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度
提高罐压
Pi增加则与之平衡的Ci也会增加，对提高（c* - c) 是有一定作用的。
利用纯氧，可以提高（c* - cL)
缺点：价格较高 易引起爆炸
可见，提高KLa最有效的方法是提高N与Vs，并 协调两者之间的关系，其他方法效果不大，且受 限制较多。
2、发酵液的需氧量
发酵液的需氧量（OUR），受c(X) 、基质的种
式中
KL
(c
cL
)
OTR-氧由气相向液相的传递速率(传氧速率，
oxygen take rate)，mmol O2 ／(L·h)；
KLα-液相体积氧传递系数，1／h；
c*-液相饱和溶氧浓度，mmol O2 ／L；
cL-液相实际溶氧浓度，mmol O2 ／L；
OUR-菌的耗氧速率(摄氧速率，oxygen uptake
但不能够无限的增加通风量,研究表明，当通风量 增加到一定的量后，(Pg/V)会随着Q的增加而下 降。
也就是说单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下 降，不但不能提高kLa，甚至会造成kLa值的下降。
（2）提高（c* - cL)，即氧传递动力
c*，改变c*是没有太大的余地的。因为，发酵温 度、浓度等严格的受到菌体生长和发酵工艺的限 制。
OTR = kLa×（P*-P）

溶氧对发酵的影响及控制总述：溶氧（DO）是需氧微生物生长所必须，发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。

发酵液中的溶氧浓度对微生物的生长和产物形成有着重要的影响，在发酵液中溶氧的高低直接影响菌体的生长和代谢产物的积累，并最终决定着发酵产物产量的高低。

根据对氧的需求，微生物可分为专性好氧微生物、兼性好氧微生物和专性厌氧微生物。

以下则主要针对氧在好养微生物，需要微生物或兼性厌氧型微生物的一些影响。

1.溶氧在好氧微生物发酵过程的影响溶氧是发酵中的营养和环境因素，不同发酵阶段的需氧量通常不同。

根据溶氧调控策略对Alcaligenes.sp.NX-3 产威兰胶的发酵过程的影响（5）溶氧对好氧微生物发酵的影响主要分为两方面：是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，影响微生物生长代谢。

二是在氧直接参与产物合成，且通过溶氧控制条件对深层灵芝发酵生产灵芝酸产量的影响溶氧是好氧性微生物生长发酵的重要工艺参数，对菌体生长和积累代谢产物都有较大影响，定着代谢产物产量的高低。

溶氧过低，不利于菌体生长和代谢产物的积累，溶氧过高，只利于菌体大量生长，代谢产物的积累受到抑制，好氧微生物生长和代谢均需要氧气，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。

因此，对于好氧性微生物发酵，溶氧参数的控制尤为重要。

而好氧微生物发酵过程中溶氧检测值受多种参数的影响，包括生物代谢过程本身，也包括外部补料、风量、搅拌转速、发酵罐温度、压力等。

可以针对不同的影响因素对发酵过程进行控制与调节。

2.溶氧在需氧菌或兼性厌氧菌微生物发酵过程的影响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。

因此，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。

根据溶氧对氨基酸发酵的影响及控制（2）中可知发酵液中的氧（溶解氧）是菌体生长与代谢的必需品。

溶氧对发酵的影响及其控制The dissolved oxygen concentration in the fermentation broth (Dissolved Oxygen, referred to as DO) is the key factor to influence the fermentation, has an important influence on microbial growth and product formation. According to the demand of dissolution characteristics and microbial oxygen on oxygen, analysis of the effects of dissolved oxygen on the fermentation and the effect on fermentation, and then determine the control of dissolved oxygen in the fermentation broth and transfer, the maximum production efficiency.Compared with normal PID controller, the new controller is of small overshoot and quick response, improved stability of the system andincrease the yield of products. Study the influence of dissolved oxygen and controlling the fermentation to improve production efficiency, improve product quality, etc. are important.溶氧浓度（DO）作为发酵控制中的一个关键参数，直接影响着发酵生产的稳定性和生产成本，受到工业生产和实验室研究的重视，无论是厌氧还是需氧发酵，研究发酵液中溶氧对发酵的影响都有重要意义。

溶解氧对发酵的影响及其控制1 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。

1.1 溶氧量在发酵的各个过程中对微生物的生长的影响是不同的改变通气速率发酵前期菌丝体大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出现一个低峰。

在生长阶段，产物合成期，需氧量减少，溶氧稳定，但受补料、加油等条件大影响。

补糖后，摄氧率就会增加，引起溶氧浓度的下降，经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。

如继续补糖，又会继续下降，甚至引起生产受到限制。

发酵后期，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度上升，一旦菌体自溶，溶氧浓度会明显上升。

1.2 溶氧对发酵产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，虽然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,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。

2 溶氧量的控制对溶解氧进行控制的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。

由于各种微生物所具有的酶系不同，所 能利用的碳源往往是不同的。目前所发现的 谷氨酸产生菌均不能直接利用淀粉，只有利 用葡萄糖、果糖、蔗糖和麦芽糖等单糖或双 糖，有些菌种能够利用醋酸、乙醇、正烷烃 等。由于国内绝大多数味精厂采用的碳源为 淀粉水解糖，因此这里主要介绍淀粉水解糖 作业碳源的发酵。
培养基中糖浓度对谷氨酸发酵有很大影 响。在一定范围内，谷氨酸产酸率随糖浓 度增加而增加，但当糖浓度过高时，由于 渗透压增大，对菌体生长和发酵均不利， 当工艺条件配合不当时，糖酸转化率相当 低。同时培养基浓度大，氧溶解的阻力也 增大，影响供氧效率。
由于双酶法（高温淀粉酶液化、糖化 酶水解）对原料中生物素等营养因子破坏 很少，因此采用双酶法制糖时，如果采用 生物素亚适量工艺进行谷氨酸发酵，尽量 采用精制淀粉。
4.1.2 氮源
氮源是合成菌体蛋白质、核酸等含氮物 质和合成谷氨酸氨基的来源。同时，在发酵 过程中一部分氨用于调节发酵液pH，形成谷 氨酸铵。因此，谷氨酸发酵需要的氮源比一 般的发酵工业要高，一般发酵工业碳氮比为 100: 0.2～2.0，而谷氨酸发酵的碳氮比为 100: 15～30。
磷酸盐对谷氨酸发酵影响很大。当磷 酸盐偏高时，菌体代谢转向合成缬氨酸； 但如磷酸盐过低，菌体生长也不好，造成 延长发酵时间，影响谷氨酸的合成。
②硫酸镁 Mg2+许多重要酶(如己糖磷酸化酶、异柠 檬酸脱氢酶、羧化酶等)的激活剂。如果Mg2+ 含量太少，就会影响其底物的氧化。一般革 兰氏阳性菌对Mg2+的最低要求为25mg/L；革 兰氏阴性菌为4～5mg/L。 MgSO4· 2O中含Mg2+ 9.87%，发酵培 7H 养基中添加0.5g/L MgSO4· 2O时，Mg2+浓 7H 度约为50mg/L。

（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。
（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。
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
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。

生物素的来源：氨基酸生产上可以作为生物素来源的原料 有玉米浆、麸皮水解液、糖蜜及酵母水解液等，通常选取 几种混合使用。例如，许多工厂选择纯生物素、玉米浆、 糖蜜这三种物质来配制培养基。各种原料来源及加工工艺 不同，所含生物素的量不同。玉米浆含生物素500μg/kg， 麸皮含生物素300μg/kg，甘蔗糖蜜含生物素1500μg/kg。
操作简单 周期长，占地面积大。
直接常温等电点法工艺流程
发酵液
起晶中和点（pH4-4.5) 育晶（2h）
盐酸
菌体及细小的 谷氨酸晶体
等电点搅拌pH3-3.22 静置沉降4-6h 离心分离
成品
母液
干燥
湿谷氨酸晶体
2、离子交换法
可用阳离子交换树脂来提取吸附在树脂上的谷氨 酸阳离子，并可用热碱液洗脱下来，收集谷氨酸 洗脱流分，经冷却、加盐酸调pH 3.0～3.2进行结 晶，之后再用离心机分离即可得谷呈棒形或短杆形； 革兰氏阳性菌，无鞭毛，无芽孢；不能运动； 需氧性的微生物； 生物素缺陷型； 脲酶强阳性； 不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白、明胶等；
发酵中菌体发生明显形态变化，同时细胞膜渗透性改变； 二氧化碳固定反应酶系强； 异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，乙醛酸循环弱； α-酮戊二酸氧化能力微弱； 柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶活
有机氮丰富有利于长菌，因此谷氨酸发酵前期要 求一定量的有机氮，通常在基础培养基中加入适 量的有机氮，在发酵过程中流加尿素、液氨或氨 水来补充无机氮。
（3）无机盐
磷酸盐 ：工业生产上可用K2HPO4·3H2O、KH2PO4、 Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O等磷酸盐，也可用磷酸。 过高：代谢转向合成缬氨酸。 过低：菌体生长缓慢。

氨基酸发酵工艺学氨基酸发酵工艺学是研究氨基酸生产过程中的发酵过程和工艺参数的科学。

氨基酸是生命体中重要的有机物质，广泛应用于医药、化工、食品等领域。

通过发酵工艺学的研究，可以优化氨基酸的生产工艺，提高产量和质量，降低生产成本。

氨基酸发酵工艺学主要包括微生物的选育与改良、发酵介质的配方和优化、发酵条件的控制等环节。

首先，通过选择适合生产目标氨基酸的微生物种类进行培养，并通过基因改造等手段提高其产酸能力和抗生素产量。

其次，合理配方发酵介质，提供微生物生长和代谢所需的营养物质，如碳源、氮源、无机盐等，并优化营养物质浓度和比例，以提高产酸效率。

同时，还需要注意控制介质的pH值、温度和氧气供应等因素，以最大程度地促进微生物生长和酸产量。

此外，还需要加入抗泡剂、抗生素等辅助物质，防止发酵过程中的杂菌污染。

在发酵过程中，通过监测微生物生长曲线、消耗和产酸速率等指标来了解反应的进程和微生物代谢状态。

根据这些数据，可以调整前述的工艺参数，如发酵温度、密度、通气量、搅拌速度等，以提高产酸效率和酸产量。

在工艺的最后阶段，通过优化酸的提取、纯化和结晶工艺，以获得高纯度的氨基酸产品。

随着生物技术的发展，氨基酸发酵工艺学还涉及到基因工程、酶工程等新技术的应用。

通过选择、改造和优化微生物的代谢途径和酶系统，可以进一步提高氨基酸的产酸效率和产量，同时降低废水和废料的排放。

总之，氨基酸发酵工艺学是一门综合知识学科，涉及到微生物学、生化学、工程学等多个领域的知识。

通过深入研究和应用，可以不断改进氨基酸生产工艺，满足市场需求，推动氨基酸产业的发展。

氨基酸发酵工艺学是一门涉及微生物学、生化学、生物工程学等多学科的综合学科，旨在通过研究发酵过程和优化工艺参数，提高氨基酸的产量和质量，降低生产成本，促进氨基酸产业的发展。

在氨基酸发酵工艺学中，微生物的选育与改良是一个重要的环节。

微生物是氨基酸发酵的生产工具，不同的微生物对于氨基酸的产量和产物特性有着不同的影响。

（三）、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
随菌的生长，菌分解了含氮有机物，释放出 铵，培养基的pH会缓慢上升。
当菌转入对数生长期，由于菌体大量繁殖， 大量利用糖和铵离子，培养基的pH逐渐下降。
在生长后期，由于菌体自溶，释放出铵，pH 又回升。
二、发酵过程中的代谢变化及规律
与代谢有关的参数： 1、物理参数 ⑴、温度 ⑵、罐压 ⑶、搅拌速度 ⑷、空气流量 ⑸、表观粘度 ⑹、发酵液重量
与代谢有关的参数： 2、化学参数 ⑴、基质浓度 ⑵、pH ⑶、产物浓度 ⑷、DNA量 ⑸、关键酶 ⑹、溶解氧 ⑺、排气中的氧含量 ⑻、排气中的CO2含量
与代谢有关的参数： 3、生物参数 ⑴、菌丝形态 ⑵、菌丝干重或湿重 ⑶、菌体比生长速率 ⑷、氧的比消耗速率 ⑸、糖的比消耗速率 ⑹、氮的比消耗速率 ⑺、产物的比生产速率
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 （接种量）计，需要几吨～几十吨的种 子。
（一）、作为种子的要求： 1、细胞的生活力强，移种至发酵罐后能迅速生长 2、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求 3、无杂菌污染 4、生理形状稳定、保持稳定的生产能力
• 泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分 也是相辅相成的一个重要方面。
化学消泡剂应具备以下特点：
• 必须是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡 作用迅速有效；
• 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分 散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；
• 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑 泡性能；
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的合 成期。

《生物制药工艺技术》课程教学方案教师：苏艳授课生物技术及应用、生物制药技专业术上课地点授课时间第周学习工程6、发酵过程把握〔2〕发酵液溶解氧浓度把握及溶氧课时内容系数的测定学问目标教学技能目标目标❖了解溶氧把握方法❖理解溶氧系数❖能把握溶氧。

❖培育学生理论联系实际动手操作力气、自主性、制造性、严谨的素养目标科学态度；❖吃苦耐劳、团队协作精神，良好的职业素养。

教学重点：理解溶氧和溶氧系数重点难点难点：溶氧系数对发酵的影响。

目标学生在前面学习了“发酵罐及附属设备的构造”，具备了《应用微生物技术》的根底群体学问。

教学教室环境教学理论讲授方法时间安排[课型] 理论课：多媒体关心讲授[组织教学]5 分钟演讲，1 分钟安全教育[实施课]讲授：教学过程设计工程6发酵过程的把握•第四节溶氧系数的测定第一节溶氧浓度对发酵的影响一、供氧与微生物的关系•发酵液中溶解氧的多少，一般以溶氧系数Ｋｄ值表示。

•各种微生物的氧化酶体系〔如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等〕不同，在不同条件下，其呼吸程度是不同的。

微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示。

◆呼吸强度：指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以QO2 表示，单位为mmol/(g.h)。

◆呼吸强度可以表示微生物的相对需氧量，但当培育液中有固定成分存在时，测定就有困难，这时可用耗氧速率来表示。

◆耗氧速率：指单位体积培育液在单位时间内的吸氧量，以r 表示，单位为mmol/(L.h)。

◆耗氧速率取决于呼吸强度和菌体浓度。

式中：•γ为微生物耗氧速率，mmol/(L.h)；•Q O2为呼吸强度，单位为mmol/(g.h)；•ρ为菌体的质量浓度，g/L。

•发酵的不同阶段对氧的要求不同：•举例：一般菌体生长生殖期比谷氨酸生成期对溶氧要求低，长菌阶段供氧为菌体需氧量的“亚适量”，要求溶氧系数K d 为 4.0×l0-6 ——5.9×l0-6mol/(ml.min.mPa) ，形成谷氨酸阶段要求溶氧系数K d 为1.5×l0-5——1.8×l0-5 mol/(ml.min.mPa)。

pH发生变化的主要原因是培养基中营养 成分的利用和代谢产物的积累。 如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断 生成谷氨酸时，培养液的pH就会下降。 而碱性物质的消耗和氨的生成等则会导 致培养液的pH上升。
pH：前期pH（7.5~8.0），中后期pH7.0~7.6。 通过采用流加尿素，氨水或液氨等办法调节 pH，补充氮源。
pH值 值
1） pH值对谷氨酸产生菌生长的影响
谷氨酸产生菌象其它微生物一样, 有最适生长 pH值范围, 当高于或低于这个值时:(1) 菌体内 的酶受到抑制, 菌体新陈代谢受阻, 生长停滞; (2) 菌体细胞膜所带电荷发生改变, 从而改变 细胞膜的渗透性, 影响菌体对营养的吸收和代 谢产物的排出; (3) 影响培养基组分和中间代 谢产物的离解, 从而影响菌体对这些物质的利 用。
1.1氨酸生产菌种
谷氨酸生产菌为谷氨酸棒杆菌、乳糖发 酵短杆菌、黄色短杆菌。革兰氏阳性菌， 菌体为球形、短杆至棒状，不同形状芽 孢，没有鞭毛，不能运行，需要生物素 作为生长因子，在通气条件下才能生产 谷氨酸。
1.2生产原料
玉米、小麦、甘薯、大米等，其中 甘薯和淀粉最为常用。大米进行浸泡磨 浆，再调成15°Bé，调PH6.0，加细菌 a-淀粉酶在85℃进行液化，液化30min 后，加糖化酶在60℃条件下糖化24h， 过滤后可供配制培养基。
生物素亚适量时,菌体代谢失调, 细胞膜通透性增强,细胞内的谷氨酸 能及时排出,有利于谷氨酸的积累, 发酵液内由菌体细胞排除谷氨酸能 达总氨基酸92%左右。因此,要根据 发酵时期来控制生物素的含量。
供氧
过量：NADPH的再氧化能力会加强，使 α-KGA的还原氨基化受到影响，不利于 GA 的生成。 供氧不足：积累大量的乳酸，使发酵液 的pH值下降，不利于GA的产生，同时， 一部分葡萄糖转成了乳酸，影响了糖酸 转化率，降低了产物的提出率。

发酵工艺控制——氧对发酵地影响及控制录入时间:2018-8-13 9:26:18 来源：青岛海博《微生物工程》在好氧深层培养中,氧气地供应往往是发酵能否成功地重要限制因素之一.通气效率地改进可减少空气地使用量,从而减少泡沫地形成和杂菌污染地机会.一、溶解氧对发酵地影响溶氧是需氧发酵控制最重要地参数之一.由于氧在水中地溶解度很小,在发酵液中地溶解度亦如此,因此,需要不断通风和搅拌,才能满足不同发酵过程对氧地需求.溶氧地大小对菌体生长和产物地形成及产量都会产生不同地影响.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地形成.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地临界氧浓度和最适氧浓度,并使发酵过程保持在最适浓度.最适溶氧浓度地大小与菌体和产物合成代谢地特性有关,这是由实验来确定地.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地条件下,产量才最大,如果供氧不足,氨基酸合成就会受到强烈地抑制,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,才能获得最大量地氨基酸,如果供氧充足,产物形成反而受到抑制.氨基酸合成地需氧程度产生上述差别地原因,是由它们地生物合成途径不同所引起地,不同地代谢途径产生不同数量地NAD(P>H,当然再氧化所需要地溶氧量也不同.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地,产生地NADH量最多.因此NADH氧化再生地需氧量为最多,供氧愈多,合成氨基酸当然亦愈顺利.第二类地合成途径是产生NADH地乙醛酸循环或消耗NADH地磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统,产生地NADH量不多,因而与供氧量关系不明显.第三类,如苯丙氨酸地合成,并不经TCA循环,NADH产量很少,过量供氧,反而起到抑制作用.肌苷发酵也有类似地结果.由此可知,供氧大小是与产物地生物合成途径有关.在抗生素发酵过程中,菌体地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〞.两者地关系有：①大致相同；②C临′﹥C临〞③C临′﹤C临〞.二、微生物对氧地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地需要,在不同地环境条件下,各种不同地微生物地吸氧量或呼吸强度是不同地.微生物地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地干菌体在单位时间内所吸取地氧量,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 --------氧地M氏常数,mol /m3CL---------- 溶解氧地浓度, mol /m3摄氧率是指单位体积培养液在单位时间内地耗氧量,以r表示,单位为mmolO2／(L•h>.呼吸强度可以表示微生物地相对吸氧量,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地摄氧率取决于微生物地呼吸强度和单位体积菌体浓度.微生物地比耗氧速率地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地增加而增加,此时地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地最低氧浓度,如对产物形成而言便称为产物合成地呼吸临界氧浓度.当不存在其他限制性基质时,溶解氧浓度高于临界值,细胞地比耗氧速率保持恒定；在临界氧浓度以下,微生物地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地氧保持供氧与耗氧地平衡,才能满足微生物对氧地利用.由此可知,只有使溶氧浓度大于其临界氧浓度时,才能维持菌体地最大地比耗氧速率,以使菌体得到最大地合成量.但由于发酵地目地是为了得到发酵地产物,因此,由氧饥饿而引起地细胞代谢干扰,可能对形成某些产物是有利地.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,过高地溶氧对生长可能不利.氧地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地.有些带巯基地酶对高浓度地氧敏感,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,使其免遭氧地摧毁.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地形成.为避免发酵处于限氧条件下,需要考查每一种发酵产物地临界氧浓度和最适氧浓度,并使发酵过程保持在最适浓度.最适浓度地大小与菌体和产物合成代谢地特性有关,这是由实验来确定地.发酵生产中,供氧地多少应根据不同地菌种、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,希望糖地消耗最大限度地用于合成菌体,而在谷氨酸生成期,则希望糖地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地需氧量,即r=Qo2c(X>,若菌体地需氧量得不到满足,则菌体呼吸受到抑制,而抑制生长,引起乳酸等副产物地积累,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,菌体地生长速率达最大值,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地菌体不能有效地产生谷氨酸.三、影响微生物需氧量地因素在需氧微生物发酵过程中影响微生物需氧量地因素很多,除了和菌体本身地遗转特性有关外,还和下列一些因素有关：1．培养基培养基地成分和浓度对产生菌地需氧量地影响是显著地.培养基中碳源地种类和浓度对微生物地需氧量地影响尤其显著.一般来说,碳源在一定范围内,需氧量随碳源浓度地增加而增加.在补料分批发酵过程中,菌种地需氧量随补入地碳源浓度而变化,一般补料后,摄氧率均呈现不同程度地增大.2、菌龄及细胞浓度不同地生产菌种,其需氧量各异.同一菌种地不同生长阶段,其需氧量也不同.—般说,菌体处于对数生长阶段地呼吸强度较高,生长阶段地摄氧率大于产物合成期地摄氧率.在分批发酵过程中,摄氧率在对数期后期达到最大值.因此认为培养液地摄氧率达最高时,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地影响在发酵过程中,培养液中地溶解氧浓度(CL>高于菌体生长地临界氧浓度(C长临>时,菌体地呼吸就不受影响,菌体地各种代谢活动不受干扰；如果培养液中地CL低于C长临时,菌体地多种生化代谢就要受到影响,严重时会产生不可逆地抑制菌体生长和产物合成地现象.4、培养条件若干实验表明,微生物呼吸强度地临界值除受到培养基组成地影响外,还与培养液地pH、温度等培养条件相关.一般说,温度愈高,营养成分愈丰富,其呼吸强度地临界值也相应增高.5、有毒产物地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地如CO2等代谢产物,如不能及时从培养液中排除,势必影响菌体地呼吸,进而影响菌体地代谢活动.6、挥发性中间产物地损失在糖代谢过程中,有时会产生一些挥发性地有机酸,它们随着大量通气而损失,从而影响菌体地呼吸代谢.四、氧在发酵液中地传递1、氧地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,再经过简单地扩散作用进入细胞内地呼吸酶地位置上而被利用,参与菌体内地氧化等生物化学反应.氧地这一系列传递过程需要克服供氧方面和需氧方面地各种阻力才能完成.2、氧地传递方程式<1）双膜理论微生物发酵中,通入发酵罐内地空气中含有地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,是气一液相间氧地传递过程,在这一传递过程中,气液界面地阻力1/KI可以忽略,液体主流中地传递阻力1/KLB很小也可忽略,此时主要地传递阻力存在于气膜和液膜中.对于这种传递过程地描述,应用最广地是双膜理论.这个理论假定在气泡和包围着气泡地液体之间存在着界面,在界面地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,气膜内地气体分子与液膜中地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,气泡内除气膜以外地气体分子处于对流状态,称为气流主体,在空气主流空间地任一点氧分子地浓度相同,液流主体亦如此.<一）影响氧传质推动力地因素要想增加氧传递地推动力(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*地方法A、温度：降低温度B、溶液地性质：一般来说,发酵液中溶质含量越高,氧地溶解度越小.C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时,氧在溶液中地溶解度只与氧地分压成直线关系.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地含量,或提高发酵罐内地氧分压(即提高罐压>.这几种方法地实施均有较大地局限性.已知发酵培养基地组成和培养浓度是依据生产菌种地生理特性和生物合成代谢产物地需要而确定地,不可任意改动.但有时分批发酵地中后期,由于发酵液粘度太大,补入部分灭菌水来降低发酵液地表观粘度,改善通气效果.采用提高氧分压地方法,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,影响氧地传递速率,降低氧地溶解度.影响菌体地呼吸强度,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,同时易出现微生物地氧中毒现象.<2）、降低发酵液中地CL降低发酵液中地CL,可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa,使发酵液中地CL降低.但是,发酵过程中发酵液中地CL不能低于C临界,否则就会影响微生物地呼吸.目前发酵所采用地设备,其供氧能力已成为限制许多产物合成地主要因素之一,故此种方法亦不理想.<二）、影响液相体积氧传递系数KLa地因素经过长时间地研究和生产实践证实,影响发酵设备地KLa地主要因素有搅拌效率、空气流速、发酵液地物理化学性质、泡沫状态、空气分布器形状和发酵罐地结构等.实验测出地KLa与搅拌效率、通气速度、发酵液理化性质等地关系可用下述地经验式表示：KLa=K〔 (P／V>α〕．(VS>β(ηapp>-ω>式中 P／V——单位体积发酵液实际消耗地功率(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地形式等有关.K——经验常数.1、搅拌效率对KLa地影响发酵罐内装配搅拌器地作用有：①使发酵罐内地温度和营养物质浓度均一,使组成发酵液地三相系统充分混合；②把引入发酵液中地空气分散成小气泡,增加了气—液接触面积,提高KLa值；⑧强化发酵液地湍流程度,降低气泡周围地液膜厚度和湍流中地流体地阻力,从而提高氧地转移速率；④减少菌丝结团,降低细胞壁周围地液膜阻力,有利于菌体对氧地吸收,同时可尽快排除细胞代谢产生地“废气”和“废物”,有利于细胞地代谢活动.应提出地是如果搅拌速度快,由于剪切速度增大,茵丝体会受到损伤,影响菌丝体地正常代谢,同时浪费能源.2、空气流速KLa随空气流速地增加而增加,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”现象指地是在特定条件下,通人发酵罐内地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,此时地空气流速称为“气泛点”(Floodingpoint>.带搅拌器地发酵罐地气泛点,主要与搅拌叶地形式、搅拌器地直径和转速、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.空气流量地改变必然引起空气流速地变化.已知空气流速地变化会引起体积氧传递系数KLa地改变,当空气流速达气泛点时,KLa不再增加.这样,空气流量地变化也会改变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>,使搅拌轴附近地液面处没有大气泡逸出.搅拌功率和空气流速对KLa地影响,实验测出搅拌功率对抗生素产率地影响远大于空气流速.高搅拌转速,不仅使通人罐内地空气得以充分地分散,增加气—液接触面积,而且还可以延长空气在罐内地停留时间.空流速过大,不利于空气在罐内地分散与停留,同时导致发酵液浓缩,影响氧地传递.但空气流速过低,因代谢产生地废气不能及时排除等原因,也会影响氧地传递.因此,要提高发酵罐地供氧能力,采用提高搅拌功率,适当降低空气流速,是一种有效地方法.3、发酵液理化性质地影响KLa与发酵液地表观粘度ηapp呈反比.说明发酵液地流变学性质是影响KLa地主要因素之一.发酵液是由营养物质、生长地菌体细胞和代谢产物组成地.由于微生物地生长和多种代谢作用使发酵液地组成不断地发生变化,营养物质地消耗、菌体浓度、菌丝形态和某些代谢产物地合成都能引起发酵液粘度地变化,致使发酵过程中地发酵液呈现多种流变学性质.以淀粉作碳源地培养基属于非牛顿型流体,在发酵过程中,随着微生物地生长和代谢作用,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,由于微生物地代谢作用,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、表现为涨塑性流体地性质.发酵过程中菌体浓度和形态在氧地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,对氧地转移没有什么影响.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,对氧地转移有较大影响.在单细胞和丝状菌发酵中,对数生长期两者地氧吸收速率是相同地,但在溶解氧浓度受到限制地条件下,达到平衡期,单细胞发酵液地氧吸收速率无变化,而丝状菌发酵液地氧吸收速率却显著下降,其原因是丝状菌发酵液地菌体浓度增加,使发酵液粘度不断增大,致使KLa值降低,进而导致菌体地氧吸收速率下降.在青霉素发酵中,由于菌丝体浓度地不断增加,使发酵液粘度不断增大,KLa却随之下降.在沉没培养过程中,由于搅拌地作用,有地菌体(尤其是霉菌>形成不连续地球状体,有地形成交替地丝状体.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地粘度,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地形成,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,微生物生物合成地代谢产物对发酵液地流变学性质地影响相对说是较小地.4、泡沫地影响在发酵过程中,由于通气和搅拌而引起发酵液出现泡沫.如果在较稠厚地发酵液中形成流态性泡沫时,是难以消除地,其中地气体就很难得到及时地更新,直接影响微生物地呼吸.如果搅拌叶轮处于泡沫地包围之中,就会影咆气液体地充分混合,降低氧地传递速率.用消沫剂可以消除泡沫,改善气液体混合效果,提高氧地传递速率.但过多地消沫剂会聚集于细胞表面上,阻碍菌体对氧和营养物质地吸收.因此,消沫剂地用量应控制.5、空气分布器形式和发酵罐结构地影响在需氧发酵中,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,大型环状鼓泡器地直径大于搅拌器直径时,大量地空气未经搅拌器地分散而沿罐壁逸出液面,其空气分散效果很差.所以环型鼓泡器地直径一定要小于搅拌器地直径.关于多孔环状鼓泡器和单孔式鼓泡器地通气效果,有地实验表明,当空气流量达到一定值时,单孔式鼓泡器地效果不比多孔环状鼓泡器地效果差.因为在装配有搅拌器地发酵罐中,空气地分散主要依靠搅拌地作用.所以当空气流量增大时,单孔式鼓泡器能增强发酵液地湍流程度.当前地生产实践,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地通气效率地不足,有人在设备上做些相应地改进,当增加发酵罐地高度,以求增加气—液接触时间,提高氧地溶解度。

氨基酸发酵研究进展陆奇明上海交通大学生命学院研究生学号：5050809427摘要：氨基酸广泛应用于生产、生活的诸多方面。

氨基酸发酵是现代快速发展起来的氨基酸生产方法，微生物代谢网络和调控机制的研究带动了氨基酸生产相关技术的进步，工程手段、计算机建模的联合使用更优化了氨基酸发酵的监控，基因工程再次为菌种选育和代谢控制开拓了思路。

本文就氨基酸发酵的原理，菌种的定向选育，发酵控制的优化，以及基因工程的应用做一简要阐述。

关键词：氨基酸发酵，代谢调控，定向育种，发酵控制，基因重组氨基酸是含氨基和羧基的一类有机化合物的统称，是构成生物蛋白质的重要单位，几乎一切生命活动都与之相关。

氨基酸在医药、食品、饲料、化工等行业中有重要应用。

人工生产氨基酸始于蛋白质酸水解，化学合成途径的发现和应用使得氨基酸的大规模生产成为可能，但鉴于混合氨基酸的低纯化率，以及化学方法所固有的低产出率，使得这些方法难以被大范围推广。

20世纪50～60年代，生物化学基础研究的发展，特别是代谢调控理论的建立，使得氨基酸发酵作为一种新型发酵工程而迅速发展起来。

20世纪70年代后期以来，随着载体、受体系统的构建及体外基因重组技术的日益完善，氨基酸生物工程菌的构建得到长足的发展。

现代分子生物学的导入，令氨基酸发酵微生物的改造与应用有了更强的目定性和系统性；现代工程技术与生产工艺的发展，使超大规模发酵及与其对应的高效纯化技术得以应用，氨基酸发酵过程和产出更加稳定、高效。

1 氨基酸发酵的原理1957年，日本采用谷氨酸棒状杆菌发酵制造L-谷氨酸获得成功。

之后不久，多种氨基酸发酵方法得以应用并商业化，从此推动了氨基酸生产的大发展。

所谓氨基酸发酵，就是以糖类和铵盐为主要原料的培养基中培养微生物，积累特定的氨基酸。

通过控制微生物细胞代谢的调节机制，或改变细胞膜的通透性，使得目标氨基酸在培养基中大量积累，再运用过滤、萃取等方法加以纯化。

氨基酸发酵的基础是选育具有氨基酸高生物合成能力的菌株。

ＷＵ Ｄａ—ｌｉ，Ｈ Ｕ Ｒｕｉ—ｈｕａ，ＸＵ Ｓｈｉ－ｘｉｕ，ＹＵＪｉａｎ—ｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｄｅ－ｇｕｏ，ＴＯＮＧ Ｙｉ （ＣＯＦＣＯ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ（Ａｎｈｕｉ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ａｎｈｕｉ Ｂｅｎｇｂｕ ２３３１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ＳＵ伍 ｃｉｅｎｔ ｏｘｙｇｅｎ ｓｕｐｐｌｙ ｉＳ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍ ａｉｎ ｗ ａｙｓ ｔｏ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ Ｌ—ｌｙｓｉｎｅ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｙｉｅｌｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘｅｓ ａｒｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍ ｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｌａｔｅｒ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｌｙｓｉｎｅ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ．Ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｆａｃｔｏｒｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ｉｔ＇ｓ ｏｆｔｅｎ ｄｉｆ ｉ ｃｕｌｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｅｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｌｙｓｉｎｅ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍ ｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｌａｔｅｒ ｓｔａｇｅｓ ｗ ａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ５ Ｌ ｆｅｒｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ ｔａｎｋ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｔｔｅｍ ｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ４０％－６０％

【例】： 在GA(谷氨酸)发酵的合成期，过量供氧会使NADPH（还原型辅酶Ⅱ）进入呼吸链被氧化，减少了其数量，而NADPH与α-KGA（α-酮戊二酸）的还原氨基化是相偶联的，必然会影响α-KGA →GA的合成。
要指出的是，需氧发酵并不是溶解氧越高越好，适宜的溶氧水平有利于菌体生长和产物形成。但溶氧太高，有时反而抑制产物的形成。即使是专性好气菌，过高的DO对生长也可能不利。因为过量的氧会形成新生态[O]、活性氧自由基 O2 ·和 OH· ，造成许多细胞组分破坏，反而不利于微生物的生长。 发酵过程需氧程度产生差异的原因是：微生物的代谢途径不同所引起的。由于不同代谢途径产生不同数量的还原型NAD(P)H，它再氧化所需要的溶氧量当然也不同。由此可知，供氧大小与产物的生物合成途径有关。
三、发酵过程氧的传质理论
（一）氧从气泡至细胞的传递过程
供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液相主体中。
耗氧：氧从液相主体通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内，才能被微生物利用。 以上氧传递的整个过程必须克服一系列的阻力。
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
O2
气膜
发酵罐的温度传感器、耐高温pH和溶氧传感器
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，它们只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖、积累所需要的代谢产物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。 溶氧(Dissolved Oxygen , DO)是需氧微生物生长所必需的。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是制约发酵进行的重要限制因素。
一、溶氧对发酵的影响 氧对微生物发酵的影响是多方面的，不同的菌、不同的发酵阶段对于氧的要求也不相同，氧对其的影响也不相同，表现如下： 1、影响菌系的酶活性 在微生物的代谢过程中，许多参与催化脱氢氧化反应的酶都是以NAD(P)为辅酶的，NAD(P)的数量是保证酶活力的基础。NAD(P)作为H的受体，脱氢后成为还原的NAD(P)H。NAD(P)H只有在有氧条件下才能通过呼吸链被氧化，生成氧化型NAD(P)后又重新参加脱氢反应，一旦发酵液中的氧的浓度不够，与NAD(P)相关的酶促反应就会停止。

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
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
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，虽然发酵液中的溶氧浓度对菌体生长
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
这可能是由于在高溶氧条件下,剧烈的通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
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
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
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

溶氧和无机盐控制对Ｌ-色氨酸发酵的影响作者：陈立平，朱传广，孙海东来源：《现代食品》 2018年第8期L- 色氨酸是人体和动物生命活动所必需的8 种氨基酸之一，以游离态或结合态存在于生物体中[1]，广泛应用于食品、医药和饲料等方面。

在生物体的生长发育与新陈代谢中扮演着举足轻重的角色。

早期，多采用化学合成法[2] 和蛋白质水解法[3] 来实现色氨酸的工业生产制备，但存在原料昂贵、转化率低等问题，因而未能实现大规模推广。

目前，在工业生产中，主要采用微生物发酵法来制备L- 色氨酸[4-5]，此外还以葡萄糖、甘蔗糖蜜为原料，再通过优良的色氨酸菌株诱导生成色氨酸的方法，这种方法被称为直接发酵法。

由于无法直接从自然界获取色氨酸，且其合成途径工艺复杂，因此可以利用诱变或基因重组的方法获得色氨酸。

在实验过程中，由于发酵过程中其他酸的影响，使色氨酸的合成受到抑制，因此，抑制其他酸的产生，使之向合成色氨酸途径发展，对大生产有重大意义。

大肠杆菌被大量应用于微生物发酵领域[6]，这主要归功于大肠杆菌易于培养、发酵周期短的特点，更重要的是大肠杆菌的遗传背景清晰，便于诱变过程中对基因的改造。

本文在溶氧20%～ 30%的环境条件下，针对大肠杆菌进行不同浓度无机盐的培养试验、观察、记录，从而得到产量最优的色氨酸菌株。

1 材料与方法1.1 菌种大肠杆菌E.coli DJ-4322，由大成集团氨基酸菌种实验室提供。

1.2 仪器生物显微镜（奥林巴斯公司）、TDL-80-2B 型离心机（上海安亭科学仪器厂）、双人净化工作台（苏州净化设备有限公司）、722 分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）、pH 计（梅特勒- 托利多仪器有限公司）、3L 自动控制发酵罐（德国）、电子台秤[ 梅特勒- 托利（常州）测量有限公司]、SBA-40D 生物传感分析仪（山东科学院生物研究所）。

1.3 基础培养基及培养方法1.3.1 种子罐培养基葡萄糖20.0 g/L、(NH4)2SO410.0 g/L、MgSO4·7H2O5.0 g/L、FeSO4·7H2O 15.0 g/L、KH2PO41.5 g/L、MnSO4·H2O 1 g/L、酵母浸粉15.0 g/L、柠檬酸钠0.5 g/L、维生素B1 100 mg、121 ℃灭菌20 min。