呼吸臨界氧濃度

在微生物發酵過程中，當溶解氧濃度較低時，呼吸強度隨溶解氧濃度的增加而增加。當溶解氧濃度達到某一值後，呼吸強度不再隨溶解氧濃度的增加而變化，此時的溶解氧濃度稱為呼吸臨界氧濃度（Respiratory critical oxygen concentration），以C_臨界表示。

基本介紹

• 中文名：呼吸臨界氧濃度
• 外文名：Respiratory critical oxygen concentration
• 存在過程：微生物發酵
• 作用類型：呼吸作用
• 表示方法：C臨界
• 本質：溶氧度

細胞對氧的需求

細胞內物質代謝同時伴隨著能量代謝，二者相輔相成。而氧是生物體能量代謝不可缺少的重要物質。

生物細胞外表面均有細胞壁或細胞膜，氧分子需先溶於水，而後透過細胞壁或細胞膜進入細胞內。細胞膜是具有生理特徵的半透膜，其可逆濃度梯度吸收營養物質而累積於細胞內，使細胞內濃度遠高於細胞外。但水、氧及CO₂等進出細胞過程是一種簡單滲透作用，它們可以自由透過細胞的微孔，故氧分子在細胞內外傳遞動力是細胞膜內外溶解氧的濃度差。當細胞外溶氧濃度很低時，則難以滿足細胞對氧的需求，因之勢必影響細胞的物質代謝與能量代謝。

氧是生物體內能量代謝過程中一系列生化反應的最終電子受體，這些反應由一系列酶所催化。因之底物的質和量、培養液中溶氧濃度及酶活力大小，都將影響細胞的耗氧速率。

生物的耗氧速率可用兩個物理量表示，其一是生物攝氧率(r)，即單位體積培養液每小時的耗氧量，單位為mmol/(L·h)，其二是呼吸強度(Q_O2)，即單位重量幹細胞每小時耗氧量，單位為mmol/(g·h)，r和Q_O2的關係為：

r=Q_O2·X

式中X為細胞濃度(g乾重/L)。

影響生物呼吸強度的因素很多，其中有溶氧濃度(C_L)的影響。當C_L很低時，Q_O2隨C_L的增加而增大。當C_L≥C_臨界時，則Q_O2不再隨C_L的變化而改變，故C_臨界稱為生物呼吸臨界氧濃度，即不影響呼吸的最低氧濃度。

溶解氧的影響與控制

溶解氧濃度

氧是細胞呼吸的底物，氧濃度的變化對細胞影響很大，也反映了設備的性能。臨界氧濃度是不影響呼吸或產物合成的最低溶解氧濃度(critical oxygen concentration)，一般在0.02～0.005 mmol/L之間，發酵液的溶解氧濃度大於此濃度。如果用空氣氧飽和濃度表示，細菌和酵母的臨界氧值為3%～10%，放線菌為5%～30%，黴菌為10%～15%。

呼吸臨界氧濃度和產物合成臨界氧濃度可能不一致。在卷鬚黴素和頭孢黴素生產中，菌體呼吸臨界氧濃度分別為13%～23%和5%～7%，而產物合成臨界氧濃度分別為8%和10%～20%。

不同菌種對溶解氧濃度的需求是不同的，有一個適宜的範圍，不是越高越好。必須通過試驗確定臨界氧濃度和最適氧濃度，並在發酵中維持最適氧濃度。胺基酸發酵中，對溶解氧需求有三類不同情況。對於Glu、Arg、Pro三種胺基酸，供氧充足的條件，產量最大，供氧不足，積累大量有機酸，產量嚴重受限；對於Ile、Lys、Thr三種胺基酸，對供氧量不敏感，供氧充足可得最高產量，但供氧受限時產量影響不明顯；對於Leu、Val、Phe三種胺基酸，供氧充足，產物合成受限；只有在供氧受限、細胞呼吸受限才獲得最大產量。這與合成代謝途徑有關，如果產生NADH₂越多，呼吸鏈需要氧越多，此時必須多供氧。溶解氧濃度由供氧和需氧兩方面所決定，使之需氧不超過設備的供氧能力。溶解氧水平決定了培養液中溶解態氧的濃度，保持一個合適的溶解氧水平對保證菌體生長和生產過程是很重要的。

供氧

供氧(oxygen supply)是指氧溶解於培養液的過程。氧是難溶於水的氣體，在1 atm(101325Pa)25℃的純水中，氧的溶解度為0.265mmol/L。氧從空氣氣泡擴散到培養液(物理傳遞)，主要由溶解氧速率(dissolved oxygen rate；氧傳遞速率，oxygen transfer rate，OTR)決定。氧溶解速率r_DO與體積傳氧係數K_Lα(h)、氧飽和濃度(oxygen saturationconcentration)c₁(mmol/L)、實測氧濃度c₂(mmol/L)的關係可用下式表示：

r_DO=dc/dt=K_Lα(c₁-c₂)

式中，r_DO為單位時間內培養液溶解氧濃度的變化，mmol/(L·h)；K_L為分散氣泡中氧傳遞到液相液膜的溶解氧係數(dissolved oxygen coefficient)或氧吸收係數，m/h；α為單位體積發酵液的傳氧界面面積，氣液比表面積，m/m。

K_Lα與發酵罐大小、形式、鼓泡器、擋板、攪拌等有關。在通氣攪拌一定時，反映了通氣或供氧的效果。K_Lα越大，設備的通氣效果越好。

c₁-c₂為氧分壓或濃度差，是溶解氧的推動力。

耗氧

菌體吸收溶解氧的過程是耗氧(oxygen consumption)過程。菌體的耗氧可用攝氧速率(oxygen uptake rate，OUR)r_O2[mmol/(L·h)]來表征，它主要取決於呼吸強度(respiratory intensity)Q_O2，[mmol/(g·h)]和菌體濃度X(g/L)，可用下式表示：

r_O2=Q_O2·X

攝氧速率也稱為耗氧速率，菌體呼吸強度也稱為比攝氧速率或比耗氧率。

不同的微生物的攝氧速率是不同的，大致範圍為25～100 mmol/(L·h)。在發酵過程的不同階段，攝氧速率也不同。在發酵前期，菌體生長繁殖旺盛，呼吸強度大，攝氧多，往往由於供氧不足，出現一個溶解氧低峰，攝氧速率同時出現一個低峰。在發酵中期，攝氧速率達到最大。發酵後期，菌體衰老自溶，攝氧減少，溶解氧濃度上升。

溶解氧控制

發酵過程中，菌體生長不斷消耗發酵液中的氧，有使溶解氧濃度降低的趨勢，同時通氣和攪拌有增加溶解氧濃度的趨勢，實際的溶解氧濃度是這兩個相反過程相互作用的結果。如果溶解氧速率等於菌體攝氧速率，則溶解氧濃度保持恆定。如果溶解氧速率小於菌體的攝氧率，則造成供氧不足。發酵過程中溶解氧速率必須大於或等於菌體攝氧速率，才能使發酵正常進行。溶解氧的控制就是使供氧與耗氧相等，即達到平衡：

K_Lα(c₁-c₂)=Q_O2·X

直接提高溶解氧的措施有增加氧傳遞推動力如攪拌轉速和通氣速率等，間接控制溶解氧的策略是控制菌體濃度。主要有以下幾種措施。

(1)增加氧推動力

改變通氣速率，加大通氣流量。通入空氣往往高於所需量的2倍，有時達5～10倍。一般為0.1～2.0 m/(m·min)，以維持良好的推動力。通氣量增大，並維持原有攪拌功率，有利於提高溶解氧。但通氣太大，影響泡沫。僅增加通氣量，不維持原有攪拌功率時，對提高溶解氧不是十分有效。

通入純氧，增加氧分壓，從而增加氧飽和濃度，但工業上不經濟。提高罐壓，增加氧分壓的同時，增加了二氧化碳分壓。增加了動力消耗，同時影響微生物生長。

(2)控制攪拌

從工程角度，可以設計攪拌器，包括類型、葉片、直徑、擋板、位置等，通過增加攪拌轉速，提高供氧能力。

對於成型的發酵罐，增加攪拌強度，KLa正比增加。攪拌將通入的空氣打成細小氣泡，增加了氣液接觸面積。攪拌產生渦流運動，細小氣泡從罐底以螺旋方式上升運動到罐頂，路徑延長，增加了氣液接觸時間。攪拌產生湍流斷面減少了液膜的厚度，減少了液膜阻力。

轉速很高時，不僅增加了動力消耗，而且過度攪拌影響菌體形態。對菌體產生機械剪下，使菌體受傷，甚至引起自溶，導致減產。

如果發酵液黏度較大，流動性差，限制了氧傳遞，可通過中間補加無菌水，降低黏度。

(3)增加傳氧中間介質

傳氧中間介質能促進氣液相之間氧的傳遞，如烴類石蠟、甲苯及含氟碳化物。近年，有將細菌的血紅蛋白基因轉入微生物中，就是增加了菌體內對低濃度氧的利用。

(4)控制菌體濃度

攝氧率隨菌體濃度增加而按比例增加，但氧傳遞速率隨菌體濃度對數關係而減少。控制菌體的比生長速率比臨界值稍高的水平，就能達到最適菌體濃度，維持溶解氧與消耗平衡。如果菌體濃度過高，超出設備的供氧能力，此時可降低發酵溫度，抑制微生物的呼吸和生長，減少對氧的需求。

(5)綜合控制

各種控制溶解氧措施的選擇見圖1。溶解氧的綜合控制可採用反饋級聯策略，把攪拌、通氣、補料流加、菌體生長、pH等多個變數聯合起來，溶解氧為一級控制器，根據比例(P)、積分(I)、微分(D)控制(PID控制)算法，計算出控制輸出比，控制二級控制器的攪拌轉速、空氣流量等，以滿足溶氧水平，實現多維一體控制。

在生產中，供氧設備、工藝控制發生故障時，會出現溶解氧濃度異常降低和升高現象，攪拌速率下降、排氣管封閉等會引起溶解氧濃度降低。

圖1