溶氧对赖氨酸发酵工艺的影响及控制措施

摘要：文章简述了赖氨酸的发展现状，包括赖氨酸的化学名称、作用，赖氨酸生产工艺先后经历的四个阶段，并对发酵法生产赖氨酸工艺的特点进行分析。阐述了溶解氧含量在赖氨酸发酵工艺中的重要性，并分析了影响溶解氧含量的因素，列举了赖氨酸发酵过程中溶解氧异常情况及其处理措施。

关键词：赖氨酸 发酵工艺 溶解氧浓度 能量代谢 控制

Abstract: This paper introduces the development status of lysine, comprising lysine chemical name, role, lysine production technology has experienced four stages. Elaborated the content of dissolved oxygen in lysine fermentation process in importance, and analyzed the influence factors of dissolved oxygen content, enumerates the lysine fermentation process of dissolved oxygen in the abnormal condition and its treatment measures.

Key words: lysine fermentation process dissolved oxygen energy metabolism control

1、赖氨酸发酵工艺的发展

赖氨酸的化学名称为2，6-二氨基己酸，有L型和D型两种光学异构体。L-赖氨酸是人和动物营养的8种必须氨基酸之一，它对调节体内代谢平衡，提高体内对谷类蛋白质的吸收，促进生长发育均有重要作用。其生产工艺先后经历了水解、合成、酶法和发酵法四个阶段，生产工艺越来越复杂，生产效率越来越高。

发酵法生产赖氨酸是工业生产赖氨酸最重要的方法，其原理是利用微生物的某些营养缺陷型菌株，通过代谢控制发酵，人为的改变和控制微生物的代谢途径来实现L-赖氨酸的生产。生物合成赖氨酸的途径有两种：一种是通过2-氨基己二酸途经，另一种是通过2,6-二氨基庚二酸途径。前者的起始物为a-酮戊二醛，后者的起始物为天冬氨酸[1]。

目前，大多数赖氨酸生产厂家的发酵操作方式都是分批操作，发酵生产涉及到发酵液和管路系统的消毒灭菌，营养调节，酸碱度调节，通风量调节等一系列复杂的操作。其中，通风量调节即溶解氧浓度的调节。赖氨酸发酵是好氧发酵，因此溶氧水平是个重要的参数，它直接影响发酵产物的积累[2]。

2、溶解氧在发酵过程中的重要性

(1)溶解氧在赖氨酸发酵生产过程中，与碳源、氮源相并列，氧是需要大量供应的原料之一。供氧关系到发酵的成败。供养对菌体的生长和代谢产物的积累都有很大的影响。因此，研究供氧问题，对赖氨酸发酵工艺管理的最佳化和工艺过程放大具有重要意义。同时, 合理的供氧对节省动力消耗也很重要[3]。

(2)溶解氧及其浓度影响因素：溶解氧（Dissolved Oxygen）是指溶解于水中分子状态的氧，用DO值表示。氧是一种难溶气体，在常压、25℃的条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度仅约为0.25mmol/L，在发酵液中，由于各种溶解的营养成分、无机盐和微生物的代谢产物存在，会明显降低氧的溶解度[4]。此外，溶氧浓度会随着温度、气压、盐分的变化而变化。一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。

3、赖氨酸发酵过程溶解氧浓度的控制方法

溶解氧对发酵的影响分为2个方面：一是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，从而影响微生物生长；二是氧直接参与产物合成。赖氨酸发酵过程主要包括菌体生长和代谢产物积累两个阶段,无论是菌体生长阶段,还是产物积累阶段,都需将溶解氧水平控制在一个最佳水平才能实现最大转化率。溶氧的调节，是赖氨酸发酵过程控制中最难把握，同时也是最重要的参数之一，对发酵结果影响很大。因此发酵过程中要勤观察、细调整。溶氧控制的总体原则是：发酵前期溶氧不宜过低（过低，中后期转化率低），发酵中、后期溶氧不宜过高（过高，耗糖慢，产率低，菌体衰老快）。

(1)溶氧较高时的处理办法：1)前期溶氧较高，在确保发酵罐不缺糖、硫铵的情况下，可适当推迟风量提升时间。2)后期溶氧较高，在确保发酵罐不缺糖、硫铵的情况下，可先降罐压，再降风量。

(2)溶氧较低时的处理办法：1)前期先提风量，在风量提至最大后再提高罐压。2)对于装有搅拌转速变频器的发酵罐来说，可在提风量的过程中适当提高变频转速。3)在发酵中期，当溶氧开始快速下降，并且1h内未见明显上升迹象时，可参考罐内流加体积量，放中间桶10—20m3，在发酵罐放中间桶过程中，停止糖液添加，让溶氧缓慢恢复，待PH有回升迹象时，开始逐渐加大糖液添加量，直至恢复至正常流加量。在开始流加至恢复糖液添加，时间控制在10分钟以上。

4、赖氨酸发酵过程中溶解氧浓度的调控措施

在赖氨酸发酵过程中菌种只能利用发酵液中的溶解氧,供氧不当将严重影响赖氨酸发酵水平。因此, 如何调控培养基中的溶解氧浓度成为了发酵成败的关键因素之一[5]。工业上通常采用以下几种方法进行溶解氧浓度的调控。

(1)通过调整发酵罐搅拌电机的变频来改变搅拌转速，达到提高或降低溶解氧浓度的目的。搅拌的作用就是改变氧的溶解速率：搅拌将空气打成小泡, 从而增加有效界面传递面积;使液体形成湍流,增加气液接触时间;防止气泡聚集;加强液体湍流,减少气泡周围液膜的厚度, 减少液膜阻力。

(2)根据亨利定律,改变所通空气中的氧分压，达到提高或降低溶解氧浓度的目的。但采用纯氧或富氧空气将导致成本增加,且整个设备耐压性能都要提高。