发酵过程中微生物生长的能量密码 —— 溶氧：发酵工艺中高效生产的溶氧策略
在发酵工业中，溶氧就如同一把神奇的钥匙，掌控着微生物生长与代谢产物合成的密码，对发酵效率和产品质量有着至关重要的影响。今天，就让我们一同深入探寻溶氧在发酵过程中的奥秘，以及如何巧妙地控制溶氧来实现高效生产。
发酵过程
发酵过程溶氧对发酵的影响
1、微生物生长方面 ：不同种类的微生物对氧气的需求各异。专性好氧微生物，如霉菌，需充足氧气才能进行有氧呼吸获取能量，促进其生长繁殖，增加菌体量。兼性好氧微生物，像酵母菌，在有氧时生长更佳，无氧时则进行厌氧发酵。而专性厌氧微生物，例如产甲烷杆菌，氧气反而会对它们产生毒性，此时严格控制溶氧在低水平是发酵成功的关键
此外，溶氧浓度过高或过低都可能对微生物生长产生不利影响，如球形芽孢杆菌在对数生长期和芽孢形成期，适量溶氧利于芽孢形成，但在稳定期和衰亡期，通气量过大导致溶氧过量，会使菌体自溶，芽孢形成量降低
2、代谢产物合成方面 ：溶氧会改变微生物代谢途径，进而影响产物生成。在谷氨酸发酵中，低溶氧时三羧酸循环途径减弱，乳酸脱氢酶活性增强，代谢转向乳酸生成，造成乳酸积累；高溶氧时谷氨酸脱氢酶活性降低，三羧酸循环增强，导致碳源损失，均不利于谷氨酸生成
对于某些抗生素生产，如青霉素，高溶氧可促进菌丝生长和青霉素合成；而有些次级代谢产物在低氧环境下反而可能增产
️3、发酵过程溶氧的控制策略
调节通气与搅拌 ：增加通气量可提高溶氧，但需避免过度通气引发泡沫和细胞损伤。提高搅拌速度能增强氧传递速率，不过要考虑搅拌产生的剪切力对细胞的影响
采用先进的控制技术 ：DO-stat 发酵控制可实时监测溶氧，据此动态调整通气或补料策略，使溶氧维持在合适范围。还可通过动态 pH 值调控溶氧水平，如在 ε-聚赖氨酸发酵中，通过发酵中后期动态调节 pH 值来控制溶氧水平保持在 20% 至 40%，实现了显著提高发酵产量的效果
OD值
优化发酵条件 ：控制氧传递速率是关键，氧传递速率受多种因素影响，如温度、压力、通风量、转速等操作变量，发酵液的黏度、表面张力等理化性质，以及反应器的类型和结构等。通过优化这些条件，可提高氧传递效率，满足微生物对氧的需求。同时，要合理控制微生物的摄氧率，关注微生物种类、接种时的生长状态、接种量以及是否感染杂菌等因素，防止因摄氧率过高或过低影响溶氧水平和发酵进程
菌种改造与代谢工程 ：选育耐低氧菌株，如某些工业酵母，可使其在较低溶氧环境下仍能正常生长和生产目标产物。利用基因编辑技术优化微生物的代谢流，例如增强三羧酸循环相关基因的表达，或减少副产物积累的代谢途径中的关键酶基因表达，从而使微生物在不同溶氧条件下都能高效合成目标产物
发酵过程中溶氧的监测和控制对于保证发酵效率和产品质量至关重要，以下是常见的监测和控制方法：
1、溶氧监测方法
电化学法 ：利用极谱型溶氧电极，通过测量氧在电极上的还原电流来确定溶氧浓度，特点是响应快，但需定期维护和校准
光学法 ：基于荧光淬灭原理的光学溶氧传感器，具有稳定性高、维护需求低等优点，可实时、原位检测溶氧浓度，且不受溶液颜色和光散射的干扰
2、溶氧控制策略
调节通气与搅拌
调整通气量 ：增加通气量可提高溶氧，但要避免过度通气引发泡沫和细胞损伤，对于高密度培养可通入纯氧来提高氧分压
改变搅拌速度 ：提高搅拌速度能增强氧传递速率，不过需考虑搅拌产生的剪切力对细胞的影响
采用先进的控制技术
DO - STAT 控制 ：通过实时监测溶氧，动态调整通气或补料策略，使溶氧维持在设定范围，如在大肠杆菌发酵中可根据不同阶段将溶氧控制在 20% - 30%、10% - 20%、5% - 15% 等不同水平，以优化菌体生长和产物合成
基于模型预测的控制 ：对溶氧参数数据进行采集、预处理和标注，训练溶氧控制模型，预测不同阶段的溶氧需求、通气量和搅拌转速的最优值，自动调整相关设定值，确保发酵过程稳定高效
解耦控制 ：获取溶解氧测量值和罐压测量值，分别基于 PID 算法计算初始进气控制量和初始排气控制量，并进行解耦处理以消除进气量与罐压、排气量与溶氧量之间的耦合关系，得到实际进气控制量和实际排气控制量，实现溶氧的稳定控制
优化发酵条件 ：控制氧传递速率是关键，氧传递速率受多种因素影响，如温度、压力、通风量、转速等操作变量，发酵液的理化性质以及反应器的结构等
菌种改造与代谢工程 ：选育耐低氧菌株，或利用基因编辑技术优化微生物的代谢流，使微生物在不同溶氧条件下都能高效合成目标产物
新型发酵常温灭菌技术
️介绍一种全新的发酵车间非高温高压灭菌技术
1、发酵车间整体灭菌
智能化人机共存大型发酵车间常温灭菌技术 ：采用智能化干雾操作系统，将消毒液雾化成纳米级颗粒，无孔不入，无死角杀菌消毒，支持人机共存，无色无味且安全友好，可有效解决发酵空间内部灭菌难题
️数字智能化消毒设备 ：实现部分区域人机共存消毒模式，通过数字智能化控制，可精准地对车间内特定区域进行消毒，减少对人员的影响，提高消毒效率和精准度
发酵车间消毒
2、发酵罐灭菌
过氧化氢干雾灭菌 ：通过智能雾化设备将过氧化氢雾化成纳米级颗粒，均匀扩散至发酵罐内部，实现无死角消毒。该技术对设备无腐蚀性，杀灭效果显著，灭菌后无需长时间等待即可投入使用
发酵抑菌液灭菌 ：结合进口的发酵抑菌液，可最大限度降低杂菌量，减少环境菌的增长，同时避免对发酵液过滤膜的损害
去除生物膜
3、通风系统灭菌
空压机管路灭菌技术 ：采用 VHP 管道灭菌技术，专门针对通风系统及空压机管路进行灭菌，几乎无腐蚀，能快速杀灭空气管路中的霉菌孢子、芽孢等有害微生物，保障进入发酵罐的空气纯净无菌
4、原料和物料灭菌
空载消毒与满载物料灭菌 ：对进入发酵车间的物料，如原材料、种子液等进行严格的消毒。空载时对物料容器进行消毒，满载时根据物料特性选择合适的灭菌方式，确保物料的无菌性，代替传统甲醛熏蒸灭菌方式，提高灭菌效果的同时，对人员和环境更安全
物料灭菌
5、技术优势
高效杀菌 ：能够在短时间内杀灭细菌、芽孢和噬菌体，灭菌效果达到 99.999% 以上
环保安全 ：所使用的消毒液无色无味，对人员和环境友好，不改变产品本身的质量、口味和颜色
降低成本 ：与传统高温高压灭菌相比，无需高温高压设备，能耗低，灭菌时间短，显著降低了生产成本。此外，该技术对设备无腐蚀性，延长了发酵罐的使用寿命
智能化与自动化 ：灭菌设备具备智能化、数字化和可视化的特点，支持人机共存，可实现远程控制和动态监控，提高了生产效率，减少了人为操作的误差
代替高温灭菌
溶氧在发酵过程中扮演着极其关键的角色，精准控制发酵过程中的溶氧水平，就像是把握住了微生物生长和代谢的 “方向盘”，对提高发酵效率、降低生产成本以及改善产品质量具有不可估量的价值。随着生物技术的不断发展，相信未来我们能研发出更多更先进的溶氧控制策略，推动发酵工业迈向更高的台阶，让微生物发酵这一神奇的生物制造过程绽放出更加耀眼的光芒。
