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微生物對(duì)氧的需求常用呼吸強(qiáng)度和耗氧速率兩種方法

氧是構(gòu)成微生物細(xì)胞本身及其代謝產(chǎn)物的組分之，同時(shí)還是生物能量代謝所必需的物質(zhì)。好氧微生物只有在有氧時(shí)才能進(jìn)行生長(zhǎng)、繁殖等代謝活動(dòng)；兼性厭氧微生物（如酵母、乳酸菌等）在有氧或無氧條件下均能生長(zhǎng)，但代謝產(chǎn)物不同；而對(duì)于厭氧微生物而言，氧卻是種有害物質(zhì)，即使短期接觸空氣，也會(huì)抑制其生長(zhǎng)，甚至致死。

微生物對(duì)氧的需求常用呼吸強(qiáng)度和耗氧速率兩種方法來表示。呼吸強(qiáng)度是指單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量，以Q02表示。耗氧速率是指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的吸氧量，以r表示。呼吸強(qiáng)度與耗氧速率之間的關(guān)系如下：r=Q02X（87）式中：r為菌體耗氧速率，單位為mmol-L-1-h-1；Q02為菌體呼吸強(qiáng)度，單位為mmol-g-1h-1；X為發(fā)酵液中菌體質(zhì)量濃度，單位為g-L-1，X=XO-eut（X0為初始菌體濃度）。

微生物在發(fā)酵過程中的耗氧速率取決于微生物的呼吸強(qiáng)度和單位體積液體的菌體濃度，而菌體呼吸強(qiáng)度又受到菌齡、菌種性能、培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件等因素的影響。培養(yǎng)基的成分，尤其是碳源種類，對(duì)細(xì)胞的耗氧量有很大影響，耗氧速率由大到小依次為：油脂或烴類>葡萄糖>蔗糖>乳糖。因此，在石油發(fā)酵過程中，發(fā)酵罐要有良好的供氧能力，這樣才能滿足微生物的耗氧要求。培養(yǎng)基的濃度大，細(xì)胞代謝旺盛，耗氧增加；培養(yǎng)基濃度小，如碳源成為限制性基質(zhì)時(shí)，細(xì)胞呼吸強(qiáng)度下降，補(bǔ)充碳源后，呼吸強(qiáng)度又上升。

另外，培養(yǎng)條件如ph、溫度等通過對(duì)酶活性的影響而影響菌體細(xì)胞的耗氧，而且溫度還影響發(fā)酵液中的溶解氧濃度，溫度升高，溶解氧濃度下降。由于各種好氧微生物所含的氧化酶體系（如過氧化氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、多酚氧化酶等）的種類和數(shù)量不同，在不同環(huán)境條件下，各種好氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。般微生物的耗氧量為25~100mmol-L-1-h-1，但也有少數(shù)微生物很高。

同種微生物的耗氧量，隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。般幼齡菌生長(zhǎng)旺盛，其呼吸強(qiáng)度大；老齡菌的呼吸強(qiáng)度弱。代謝類型不同，需氧量也不樣。發(fā)酵過程中，若產(chǎn)物是通過三羧酸循環(huán)（TCA）獲取的，則呼吸強(qiáng)度大，耗氧量大，如、天冬氨酸的生產(chǎn)；若產(chǎn)物是通過糖酵解途徑（EMp）獲取的，則呼吸強(qiáng)度小，耗氧量小，如苯、、的生產(chǎn)。

菌體生長(zhǎng)和形成代謝產(chǎn)物時(shí)的耗氧量也往往不同。如發(fā)酵中，般而言，菌體生長(zhǎng)繁殖期比生成期對(duì)溶解氧的要求低。長(zhǎng)菌階段要求溶解氧系數(shù)Kd為4.0×10-6~5.9×10-6mol-mL-1-min-1-Mpa-1；而形成階段要求溶解氧系數(shù)Kd為1.5x10-5~1.8×10-5mol-mL-1-min-1-Mpa-1。在長(zhǎng)菌階段，若供氧過量，菌體生長(zhǎng)受到抑制；而在發(fā)酵產(chǎn)酸階段，若供氧不足，發(fā)酵產(chǎn)物由轉(zhuǎn)為乳酸。從上可知，好氧發(fā)酵并不是溶解氧愈高愈好，溶解氧太高有時(shí)反而抑制產(chǎn)物的形成。

各種微生物對(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度有個(gè)低要求，這溶解氧濃度叫做臨界氧濃度，以c濃度表示。對(duì)產(chǎn)物而言，就是不影響產(chǎn)物合成所允許的低溶解氧濃度。好氧微生物的臨界氧濃度般為0.003~0.05mol-L-1。般情況下，抗生素發(fā)酵的臨界氧濃度要求較高，如發(fā)酵的臨界氧濃度為5~10mo-L-1，低于此值就會(huì)給合成帶來不可逆的損失。而初代謝的氨基酸發(fā)酵，其需氧量大小與氨基酸的合成途徑密切相關(guān)。

第類：在供氧充足條件下，產(chǎn)量大；若供氧不足，合成受強(qiáng)烈抑制。例如，、、等的發(fā)酵屬于此類型。

第二類：在供氧充足條件下，可得高產(chǎn)量；若供氧受限，產(chǎn)量受影響不明顯。例如，異、賴氨酸、等的發(fā)酵屬于此類型。

第三類：若供氧受限，細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才獲得大量產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物生成反而受抑制。例如，、、苯等的發(fā)酵屬于此類型。

臨界氧濃度值可由尾氣中氧氣含量和通氣量共同來測(cè)定，也可用響應(yīng)時(shí)間很快的溶解氧電來測(cè)定。其要點(diǎn)是在發(fā)酵過程中先加強(qiáng)通氣攪拌，使DO盡可能上升到實(shí)驗(yàn)大值，然后終止通氣，繼續(xù)攪拌，并在罐頂部空間充氮，這時(shí)因?yàn)榫w呼吸，DO迅速下降，直到其直線斜率開始減小，這時(shí)的溶解氧值便是其呼吸臨界氧濃度。在分批發(fā)酵中通過維持DO在某濃度范圍，考察不同濃度對(duì)生產(chǎn)的影響，便可求得產(chǎn)物合成的臨界氧濃度值。

般情況下，發(fā)酵行業(yè)用空氣飽和度（%）來表示DO含量的單位。各種微生物的臨界氧濃度以空氣氧飽和度表示，如細(xì)菌和酵母為3%~10%；放線菌為5%~30%；霉菌為10%~15%，發(fā)酵的臨界氧濃度為5%~10%空氣飽和度。

實(shí)際上，呼吸臨界氧濃度不定與產(chǎn)物合成臨界氧濃度相同。如卷須霉素和的呼吸臨界氧濃度分別為13%~23%和5%~7%；而其抗生素合成的臨界氧濃度分別是8%和10%~20%。值得注意的是，生物合成臨界氧濃度并不等于其適溶解氧濃度。前者是指DO值不能低于其臨界氧濃度；后者是指生物合成有適溶解氧濃度范圍。

適溶解氧濃度的大小也與菌體和產(chǎn)物合成代謝的特性有關(guān)。

在適溶解氧濃度范圍內(nèi)發(fā)酵有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成。顯然，溶解氧濃度并非越高越好，即溶解氧濃度除了有個(gè)低限外，還有個(gè)高限。如卷須霉素發(fā)酵，40~140h維持DO值在10%顯然比在0或45%的產(chǎn)量要高。因此，為了正確控制溶解氧濃度，需要考查每種發(fā)酵產(chǎn)物的臨界氧濃度和適溶解氧濃度，并使發(fā)酵過程保持在適溶解氧濃度。