微生物发酵过程溶解氧控制

【摘要】微生物工业是利用微生物的生长代谢活动生产各种有用物质的现代工业，由于它以培养微生物为主，习惯上称为发酵工业。在发酵工业上，发酵体系是一个非常复杂的多相共存的动态系统，要实施有效优化的发酵中间控制，必须采用各种监测手段获得发酵过程中各种参数随时间的变化。常规的发酵工艺控制参数主要有温度、PH、溶氧、泡沫、补料。

【关键词】微生物发酵, 发酵工业,溶解氧

中图分类号：[Q815]文献标识码： A 文章编号：

一.前言

随着我国经济的快速发展,人们生活水平的提高,微生物发酵显得越来越重要,所以,为了更好的研究出更好的发酵过程的需要,我们在微生物发展过程溶解氧控制方面深入研究，比如在利用微生物发酵法生产辅酶Q10方面。为了进一步降低生产成本，一方面要加快高产菌株的选育进程，采用分子生物学技术的新型育种手段，应用代谢工程的方法选育高产菌株，构建工程菌株。另一方面，要进一步深入研究辅酶Q10发酵过程生化研究，优化发酵过程各个参数的工艺控制，同时建立自动化控制模式，从而实现工程菌的高效表达。

二. 微生物发酵时参数控制

1.温度控制温度是保证各种酶活性的重要条件，微生物的生长和产物合成均需在其各自适合的温度下进行。影响发酵温度的因素。在发酵过程中，引起温度变化的原因是由于发酵过程中所产生的净热量，称为发酵热，它包括生物热、搅拌热、蒸发热、通气热、辐射热和显热等。由于生物热、蒸发热、显热在发酵过程中随时间而变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间而变化，必须加以控制，才能满足微生物生长代谢的需要，从而达到高效生产的目的。温度对微生物生长的影响。温度对微生物的影响，不仅表现在对菌体表面的作用，而且对菌体内部的结构物质也会产生影响。温度对微生物生长的影响是多方面的，每种微生物都有其最低、最适和最高生长温度。2.pH控制 不同种类的微生物其生长的最适pH值有所不同，而同种微生物在生长阶段和产物合成阶段的最适pH值也有所不同，pH值不仅影响着微生物的生长，也影响着代谢产物的形成。大多数细菌的最适生长pH为6.5～7.5，真菌为5.0～6.0，放线菌为6.5～8.0。青霉菌的最适生长pH为6.5～7.2，而青霉素合成的最适pH为6.2～6.8。酵母菌在最适生长pH(4.5～5.0)时，发酵产物主要是酒精；而在pH为8.0时，发酵产物不仅有酒精，还有醋酸和甘油。所以，在发酵过程中，应根据不同微生物的特性，控制适当的pH。3.溶氧控制 发酵过程中，微生物只能利用溶解于发酵液中的氧，因此，溶解氧的量直接关系到微生物的生长和代谢产物的积累。发酵过程中，应将发酵液中氧的浓度维持在氧的临界浓度以上，并要采用有效而又经济的方法（如搅拌）使发酵液维持这样的溶解氧浓度。如在普鲁兰多糖发酵过程中搅拌速度300r/min时,细胞生物量最大。原因是随着搅拌速度的增高,培养基的溶氧量会增加, 有助于细胞生长和多糖量的产生;但过高的搅拌速度对细胞和酶的稳定性是不利的。4.泡沫控制 在通气发酵过程中，发酵液常含有一定数量的泡沫，这属于正常现象，但泡沫过多会给发酵带来不利影响。发酵工业上消除泡沫的方法有两大类：机械消泡和化学消泡剂消泡。机械消泡借助机械搅拌促使气泡破裂消除泡沫，不需加入外源物质，可节省原材料，减少因加入消泡剂而引起的污染及泡沫，但不能从根本上消除泡沫的形成。化学消泡使用化学消泡剂消除泡沫，用量少，消泡效果好，但使用过量会改变细胞的结构形态，影响微生物生理、产物合成等。因此，宜使用机械方法与化学方法联合控制泡沫。试验表明，在啤酒工业中结合机械方法使用消泡剂“FOAMSOL”可行且可推广。 5.补料控制 所谓补料，是指在发酵过程中补充某些养料以维持微生物的生理代谢活动与合成的需要。补料中间控制的明显效果是维持较高的产物增长幅度和增加发酵的总体积，从而使产量大幅度上升。

三．微生物发酵过程

1．材料和方法：菌种，8503和8505菌种组合为本试验的复合菌种。酒糟，取自皇台酒业股份有限公司白酒厂鲜酒糟和自然晒干的干酒糟。 2. 仪器与设备 (一)水浴恒温振荡器：哈尔滨市东联电子技术开发有限公司，型号HZS－H。 (二)隔水式电热恒温培养箱：宁波医疗器机械二厂，型号PYXGS。 (三)发酵：美国新布伦兹威克科学公司(NEW13RUSWTCKSCTENTTFTCCO.),型号BIOFLOIII。 (四)双目显微镜：日本OLYMPUS光学公司(OLYMPUSOPTICALCO.)，型号BHA-413LS。 (五)超净无菌接种工作台：宁波医疗器械有限公司，型号CLASSJYKEA/B3。3. 试验用培养基(1)麦芽汁琼脂；(2)马铃薯培养基；(3)酵母菌培养基；(4)酒糟浸出液培养基；(5)液体种子培养基。4. 试验方法 先进行摇床试验，确定最适的试验条件，然后在此基础上进行5 L发酵罐试验。（一）生产工艺白酒糟加盐酸水解调pH值蒸煮冷却调成分加复合菌种进行发酵离心干燥饲料蛋白（二）工艺说明酒糟加盐酸水解将酒糟用一定浓度的盐酸在常压下水解，并进行搅拌。调节pH值用氨水调节酒糟水解液的pH值至菌种生长的最适条件。冷却调节成分将水解液冷却到30 ℃，加入一定量的磷酸盐。菌种的扩大培养菌种斜面培养基活化试管液体培养三角瓶培养。发酵接种后，进行复合菌种发酵，在发酵过程中通无菌空气，培养一定时间。发酵液离心、烘干后即得饲料蛋白。

（三）发酵罐试验

用美国NBS公司的5LBIOFLOIII型自动发酵罐，按摇床试验确定的试验条件作为5 L发酵罐的试验控制条件。发酵罐经清洗、蒸汽灭菌后，调节控制溶解氧、温度、通风、pH值等重要参数，经一定时间发酵后，离心分离得菌体蛋白

饲料，然后进行有关指标检测。

5.分析方法 (一)粗蛋白质测定：凯氏定氮法。 (二)粗纤维测定：采用酸碱处理法。 (三)水分测定：常压快速干燥法。 (四)氨基酸含量测定：用日立835自动氨基酸分析仪测定。 (五)钙、磷测定：原子吸收光谱法。 (六)灰分：直接灰化法。 提取法制备工艺较简单，但提取成本高，且受原料及季节等的限制，不适合于现代化工业大生产。化学合成法主要分为不以茄尼醇作为原料的全化学合成法

法、以茄尼醇作为原料的半化学合成。

四. 微生物发酵过程溶解氧控制的重要例子

1. 溶氧对辅酶Q10发酵的影响据文献报道，通气量是辅酶Q10发酵的一个重要影响因素，大多数的辅酶Q10发酵都为有氧发酵。对于某些菌体而言，较高的溶氧有利于辅酶Q10的合成，有些菌种低氧有利于辅酶Q10的合成。Hajime Yoshidat研究表明，低通气量时可以促进Agrobacterium tumefaciens和Rhodobacter sphaeriodes辅酶Q10的合成，高通气量抑制了辅酶Q10的合成[11]。吴祖芳等[8]研究表明，发酵的不同时期溶氧对辅酶Q10的合成具有不同的影响，前期菌体的快速生长，溶氧应高些，在细胞稳定期后，应控制为低氧，有利于辅酶Q10的合成。

2．pH对辅酶Q10发酵的影响pH是微生物发酵代谢活动中一个重要的综合指标，是发酵中一个重要的参考参数。pH对菌体的生长和代谢产物的积累有很大的影响。在生产中通过检测和控制适当的生产pH，可以促进菌体合成辅酶Q10。在实际生产发酵中调节pH具有以下几个手段：（一）用碳酸钙作为缓冲剂；（二）用氨水来调节pH；（三）控制补糖的速率。许激扬等研究表明，酵母菌SY-3在pH=4时辅酶Q10较高。叶博等[13]研究表明黄色隐球酵母菌在pH=6.5时辅酶Q10产量最大。

五．结束语

总之，在发酵工业中，发酵中间控制非常重要，控制不当，会导致产量下降，甚至目标产物不能合成。掌握发酵过程中各种参数随时间的变化情况有助于发酵中间控制，达到工业生产的目的。本研究深入探讨了微生物发酵过程溶解氧控制生产饲料蛋白的关键技术，为酒糟的有效利用和防治酿酒行业对环境的污染探索了一条可行的技术方法。同时，有益微生物进人家畜体内，可以调节微生态平衡，减少疾病，维持家畜的正常生长发育，从而提高畜牧业特别是养猪业的经济效益。

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刘晓梅 ：女； 1977年1月；天津武清 ； 助理工程师