供氧不足減產(chǎn)，過量又浪費(fèi)？搞懂微生物需氧的因素

微生物的需氧量由其自身的遺傳特性、生理狀態(tài)（菌齡）、代謝路徑（如TCA或EMP）以及外部的培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)條件共同動(dòng)態(tài)決定。

疣孢漆斑霉在分批發(fā)酵時(shí)呼吸強(qiáng)度的變化情況 

       分批發(fā)酵過程中，微生物細(xì)胞耗氧的一般規(guī)律如上圖所示。由圖分析可知：

       在培養(yǎng)初期，呼吸強(qiáng)度Qo?逐漸增高，此時(shí)菌體濃度很低；在對數(shù)生長期初期，呼吸強(qiáng)度就達(dá)到了最大值即(Q9?)m，但此時(shí)菌體濃度還較低，因此，發(fā)酵液的攝氧率并不高；隨著微生物細(xì)胞濃度在對數(shù)生長期迅速增高，發(fā)酵液的攝氧率也迅速增高，并在對數(shù)生長期的后期達(dá)到最大值，此時(shí)的呼吸強(qiáng)度略低于其最大值，且菌體還在生長，此時(shí)的菌體濃度也低于其最大值；在對數(shù)生長期末，由于發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)的消耗帶來的底物限制以及代謝產(chǎn)物的抑制作用，細(xì)胞活力已經(jīng)下降，同時(shí)，發(fā)酵罐的氧傳遞能力因受菌體濃度大量增加等的影響也在下降，所以，呼吸強(qiáng)度明顯下降，雖然這時(shí)的菌體濃度仍有增加甚至達(dá)到了最大值，但發(fā)酵液的攝氧率已出現(xiàn)下降；到發(fā)酵后期，因基質(zhì)耗盡，細(xì)胞出現(xiàn)自溶，呼吸強(qiáng)度進(jìn)一步下降，攝氧率也隨之迅速下降。

       以上所述的只是呼吸強(qiáng)度和攝氧率變化的一般規(guī)律，這一規(guī)律通常還要受到以下因素的限制和影響。 

（1）微生物遺傳特征的影響

      不同種類微生物的耗氧量不同，一般為25～100 mmol O?/(L·h)，但也有少數(shù)微生物很高。同一種微生物的耗氧量，隨著菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。菌體生長和大量形成代謝產(chǎn)物時(shí)的耗氧量也往往不同。

       根據(jù)文獻(xiàn)資料，工業(yè)液體有氧發(fā)酵的通氣量一般范圍通常在 0.5 到 2.0 vvm 之間，我們可以反推出空氣中的氧氣利用率10%~15%（受多因素影響，該值為大致估算值）。 

（2）培養(yǎng)基成分和濃度的影響

       培養(yǎng)基成分尤其是碳源種類對微生物細(xì)胞的耗氧量有很大影響，且培養(yǎng)基濃度也會(huì)影響細(xì)胞的耗氧速率。在細(xì)胞適應(yīng)的濃度范圍內(nèi)，培養(yǎng)基濃度越大，細(xì)胞代謝越旺盛，耗氧增加；反之亦然，如碳源成為限制性基質(zhì)時(shí)，細(xì)胞呼吸強(qiáng)度下降明顯，當(dāng)補(bǔ)充碳源后，呼吸強(qiáng)度又迅速上升。此外，若培養(yǎng)基中含有生長抑制劑時(shí)，呼吸強(qiáng)度也會(huì)受到抑制。

（3）菌齡

       從細(xì)胞個(gè)體的角度看，一般幼齡菌體生長旺盛，呼吸強(qiáng)度大，老齡菌生長慢，呼吸強(qiáng)度較小。 

（4）培養(yǎng)條件

       pH、溫度等因素通過影響菌體的酶活性而影響到菌體的呼吸強(qiáng)度，而且溫度還會(huì)通過改變發(fā)酵液中溶解氧濃度來影響菌體的呼吸強(qiáng)度。

（5）代謝類型

       若產(chǎn)物是通過三羧酸循環(huán)（TCA）產(chǎn)生，則代謝旺盛，呼吸強(qiáng)度高，需氧量大；若產(chǎn)物是通過糖酵解途徑（EMP）產(chǎn)生，則代謝較弱，呼吸強(qiáng)度低，耗氧量小。

       在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，生產(chǎn)TCA循環(huán)相關(guān)產(chǎn)物（如檸檬酸、氨基酸），必須配備強(qiáng)大的供氧系統(tǒng)（高效攪拌、高通氣量）。生產(chǎn)EMP途徑產(chǎn)物（如乳酸、酒精），則需嚴(yán)格控制低溶氧甚至無氧環(huán)境。

      需注意在TCA循環(huán)主導(dǎo)的過程中，如果溶氧（DO）突然急劇上升，往往意味著細(xì)胞呼吸減弱，TCA循環(huán)可能受阻（如營養(yǎng)耗盡、中毒），是重要的異常信號(hào)。

       這些影響微生物需氧的核心因素，共同編織成發(fā)酵過程中動(dòng)態(tài)變化的耗氧邏輯：從菌種自身的遺傳特性與菌齡節(jié)律，到培養(yǎng)基的“代謝驅(qū)動(dòng)力”，再到環(huán)境條件與代謝路徑的底層約束，每一環(huán)都在左右著耗氧曲線的走向。這也意味著工業(yè)生產(chǎn)中“固定供氧”的思路不可取，必須以動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)的策略適配菌體的實(shí)時(shí)需求。

      溶解氧（DO）濃度是這場調(diào)控的“指揮棒”：它的異常波動(dòng)對應(yīng)著不同的生產(chǎn)信號(hào)——DO異常時(shí)，需優(yōu)先排查對數(shù)生長期的群體耗氧、基質(zhì)供給或環(huán)境參數(shù)；而TCA途徑產(chǎn)物生產(chǎn)中DO異常升高，可能是代謝受阻的影響。通過緊盯這一指標(biāo)，生產(chǎn)人員能快速定位問題，及時(shí)調(diào)整操作。

       說到底，高效的發(fā)酵生產(chǎn)，正是在理解微生物“需氧規(guī)律”的基礎(chǔ)上，用通氣、攪拌、補(bǔ)料等手段，為菌體的生長代謝適配恰到好處的氧氣。讓供氧節(jié)奏與菌體的生長、產(chǎn)率需求同頻，才能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)與低成本的工業(yè)目標(biāo)。