發(fā)酵液中的溶氧濃度（Dissolved Oxygen ，簡(jiǎn)稱(chēng)DO）對微生物的生長(cháng)和產(chǎn)物形成有著(zhù)重要的影響。在發(fā)酵過(guò)程中，必須供給適量的無(wú)菌空氣，菌體才能繁殖和積累所需代謝產(chǎn)物。不同菌種及不同發(fā)酵階段 的菌體的需氧量是不同的，發(fā)酵液的DO值直接影響微生物的酶的活性、代謝途徑及產(chǎn)物產(chǎn)量。發(fā)酵過(guò)程中，氧的傳質(zhì)速率主要受發(fā)酵液中溶解氧的濃度和傳遞阻力 影響。研究溶氧對發(fā)酵的影響及控制對提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量等都有重要意義。

一、溶氧對發(fā)酵影響
溶解氧對發(fā)酵的影響分為兩方面：一是溶氧濃度影響與呼吸鏈有關(guān)的能量代謝，從而影響微生物生長(cháng)；另一是氧直接參與產(chǎn)物合成。
（一）溶氧對微生物自身生長(cháng)的影響
根 據對氧的需求，微生物可分為專(zhuān)性好氧微生物、兼性好氧微生物和專(zhuān)性厭氧微生物。專(zhuān)性好氧微生物把氧作為最終電子受體，通過(guò)有氧呼吸獲取能量，如霉菌；進(jìn)行 此類(lèi)微生物發(fā)酵時(shí)一般應盡可能的提高溶解氧(DO)，以促進(jìn)微生物生長(cháng)，增大菌體量。兼性好氧微生物的生長(cháng)不一定需要氧，但如果在培養中供給氧，則菌體生 長(cháng)更好，如酵母菌；典型如乙醇發(fā)酵，對溶DO的控制分兩個(gè)階段，初始提供高DO值進(jìn)行菌體擴大培養，后期嚴格控制DO進(jìn)行厭氧發(fā)酵。厭氧和微好氧微生物能 耐受壞境中的氧，但它們的生長(cháng)并不需要氧，這些微生物在發(fā)酵生產(chǎn)中應用較少。而對于專(zhuān)性厭氧微生物，氧則可對其顯示毒性，如產(chǎn)甲烷桿菌，此時(shí)能否限制DO 在一個(gè)較低值往往成為發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。
溶解氧對微生物自身生長(cháng)的影響體現在多個(gè)方面，其中對微生物酶的影響是不可忽略的重要因素。研究了不同溶 氧對谷氨酸發(fā)酵中兩個(gè)關(guān)鍵酶(谷氨酸脫氫酶GDH和乳酸脫氫酶LDH)和代謝流的影響,研究表明,在過(guò)低溶氧條件下,TCA循環(huán)代謝流量減小,不足以平衡 葡萄糖酵解速率,從而刺激了LDH的酶活,使代謝流轉向乳酸生成,造成乳酸積累;而過(guò)高溶氧，GDH酶活明顯降低,且TCA循環(huán)流量加大,生成大量 CO2,造成碳源損失,兩種情況均不利于谷氨酸生成。
啤酒工業(yè)中，在啤酒的發(fā)酵階段，酵母的繁殖需要有足夠的氧氣，在除此之外的任何階段都應極 力避免氧的參與。啤酒發(fā)酵液總含氧量由酒體溶解氧和瓶頸空氣兩部分組成，一般情況下，啤酒中的含氧量超過(guò)2PPM時(shí)對生產(chǎn)就有明顯的危害。[3]因為氧氣 的存在會(huì )促使酵母采取有氧呼吸的代謝途徑,從而破壞乙醇發(fā)酵的厭氧代謝過(guò)程。但是,研究表明無(wú)氧條件下發(fā)酵生成的乙醇低于溶氧控制在1%-4%條件下生成 的乙醇。這主要是由于無(wú)氧條件下的菌體量遠遠低于有氧條件下菌體量,而乙醇的生成與菌體量有很大的聯(lián)系。
類(lèi)似微生物發(fā)酵的活性污泥法處理污水的過(guò) 程中，DO的影響及控制也十分重要。曝氣池中氧氣不足和過(guò)量都會(huì )對微生物生存環(huán)境帶來(lái)不利影響.當氧氣不足時(shí),一方面由于曝氣池中絲狀菌會(huì )大量繁殖,最終 產(chǎn)生污泥膨脹;另一方面會(huì )降低細菌分解的效果,延長(cháng)處理時(shí)間,甚至導致生物處理失效.而氧氣過(guò)量(即過(guò)量曝氣)則會(huì )由于絮凝劑遭到破壞而導致懸浮固體沉降 性變差,同時(shí)使能耗過(guò)高。
（二）溶氧對發(fā)酵產(chǎn)物的影響
對于好氧發(fā)酵來(lái)說(shuō)，溶解氧通常既是營(yíng)養因素，又是環(huán)境因素。特別是對于具有一定氧化還原性質(zhì)的代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，DO的改變勢必會(huì )影響到菌株培養體系的氧化還原電位，同時(shí)也會(huì )對細胞生長(cháng)和產(chǎn)物的形成產(chǎn)生影響。
在黃原膠發(fā)酵中，雖然發(fā)酵液中的溶氧濃度對菌體生長(cháng)速率影響不大,但是對菌體濃度達到最大之后的菌體的穩定期的長(cháng)短及產(chǎn)品質(zhì)量卻有著(zhù)明顯的影響。
需氧微生物酶的活性對氧有著(zhù)很強的依賴(lài)性。谷氨酸發(fā)酵中，高溶氧條件下乳酸脫氫酶(LDH)活性明顯比低溶氧條件下的LDH酶活要低，產(chǎn)酸中后期谷氨酸脫氫酶(GDH)的酶活下降很快,這可能是由于在高溶氧條件下,劇烈的通氣和攪拌加劇了菌體的死亡速度和發(fā)酵活性的衰減。
DO值的高低還會(huì )改變微生物代謝途徑，以致改變發(fā)酵環(huán)境甚至使目標產(chǎn)物發(fā)生偏離。研究表明，L-異亮氨酸的代謝流量與溶氧濃度有密切關(guān)系，可以通過(guò)控制不同時(shí)期的溶氧來(lái)改變發(fā)酵過(guò)程中的代謝流分布,從而改變Ile等氨基酸合成的代謝流量。
二、溶氧量的控制
對 溶解氧進(jìn)行控制的目的是把溶解氧濃度值穩定控制在一定的期望值或范圍內。在微生物發(fā)酵過(guò)程中,溶解氧濃度與其它過(guò)程參數的關(guān)系極為復雜,受到生物反應器中 多種物理、化學(xué)和微生物因素的影響和制約。從氧的傳遞速率方程也可看出，對DO值的控制主要集中在氧的溶解和傳遞兩個(gè)方面。
（一）控制溶氧量。 (C*-CL)是氧溶解的推動(dòng)力，控制溶氧量首要因素是控制氧分壓（C*）。高密度培養往往采用通入純氧的方式提高氧分壓，而厭氧發(fā)酵則采用各種方式將氧 分壓控制在較低水平。如啤酒發(fā)酵，麥汁充氧和酵母接種階段，一般要求氧含量達到8～10PPM；而啤酒發(fā)酵階段，一般啤酒中的含氧量不得超過(guò)2PPM。
此 外，由于氧是難溶氣體，一定溫度和壓力下，DO值有一上限。為此，向發(fā)酵液中加入氧載體是提高DO值的一個(gè)行之有效的方法。實(shí)驗表明，在發(fā)酵基質(zhì)中添加 5%正十二烷，可明顯地提高發(fā)酵介質(zhì)中的溶氧水平，改善供氧條件，維持溶氧的相對穩定，增加菌體濃度，提高L-天冬酞胺酶發(fā)酵水平(21%左右)。
（二）控制氧傳遞速率。氧傳遞速率主要考慮KLa的影響因素。從一定意義上講，KLa愈大，好氧生物反應器的傳質(zhì)性能愈好。
控 制KLa的途徑可分為操作變量、反應液的理化性質(zhì)和反應器的結構3個(gè)部分。操作變量包括溫度、壓力、通風(fēng)量和轉速(攪拌功率)等；發(fā)酵液的理化性質(zhì)包括發(fā) 酵液的黏度、表面張力、氧的溶解度、發(fā)酵液的組成成分、發(fā)酵液的流動(dòng)狀態(tài)、發(fā)酵類(lèi)型等；反應器的結構指反應器的類(lèi)型、反應器各部分尺寸的比例、空氣分布器 的形式等。當然有些因素是相互關(guān)聯(lián)的。
值得注意的是，在培養過(guò)程中并不是維持DO越高越好。即使是專(zhuān)性好氣菌，過(guò)高的DO對生長(cháng)可能不利。過(guò)量的氧形成新生O，超氧化物O2-和過(guò)氧化物基O22-，破壞許多細胞組分，進(jìn)而破壞微生物生長(cháng)。
三、結束語(yǔ)
發(fā) 酵液中的氧含量對菌體生長(cháng)和產(chǎn)物形成都有著(zhù)重要的影響，溶氧量的控制主要從氧的溶解和傳遞兩個(gè)方面考慮。隨著(zhù)計算機和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，發(fā)酵工業(yè)中從DO 的測量到分析控制都正逐步走向自動(dòng)及控制一體化模式，研究利用DO作為補料的在線(xiàn)控制信號[9]將大大提高了發(fā)酵調控的準確性和自動(dòng)化性能。
然而，在DO測量方面目前使用較多的三種方法導管法，質(zhì)譜電極法及電化學(xué)檢測法因均使用膜，在檢測精度和作為調控信號響應時(shí)間方面還有待進(jìn)一步提高。