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微生物對氧的需求常用呼吸強度和耗氧速率兩種方法
閱讀：939 發(fā)布時間：2022-11-14微生物對氧的需求常用呼吸強度和耗氧速率兩種方法
氧是構成微生物細胞本身及其代謝產(chǎn)物的組分之，同時還是生物能量代謝所必需的物質。好氧微生物只有在有氧時才能進行生長、繁殖等代謝活動；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，但代謝產(chǎn)物不同；而對于厭氧微生物而言，氧卻是種有害物質，即使短期接觸空氣，也會抑制其生長，甚至致死。
微生物對氧的需求常用呼吸強度和耗氧速率兩種方法來表示。呼吸強度是指單位質量干菌體在單位時間內所吸取的氧量，以Q02表示。耗氧速率是指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內的吸氧量，以r表示。呼吸強度與耗氧速率之間的關系如下：r=Q02X（87）式中：r為菌體耗氧速率，單位為mmol-L-1-h-1；Q02為菌體呼吸強度，單位為mmol-g-1h-1；X為發(fā)酵液中菌體質量濃度，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度和單位體積液體的菌體濃度，而菌體呼吸強度又受到菌齡、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，對細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時，細胞呼吸強度下降，補充碳源后，呼吸強度又上升。
另外，培養(yǎng)條件如ph、溫度等通過對酶活性的影響而影響菌體細胞的耗氧，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。般幼齡菌生長旺盛，其呼吸強度大；老齡菌的呼吸強度弱。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，則呼吸強度小，耗氧量小，如苯、、的生產(chǎn)。
菌體生長和形成代謝產(chǎn)物時的耗氧量也往往不同。如發(fā)酵中，般而言，菌體生長繁殖期比生成期對溶解氧的要求低。長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。在長菌階段，若供氧過量，菌體生長受到抑制；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，溶解氧太高有時反而抑制產(chǎn)物的形成。
各種微生物對發(fā)酵液中溶解氧濃度有個低要求，這溶解氧濃度叫做臨界氧濃度，以c濃度表示。對產(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。
第類：在供氧充足條件下，產(chǎn)量大；若供氧不足，合成受強烈抑制。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，細胞呼吸受抑制時，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定，也可用響應時間很快的溶解氧電來測定。其要點是在發(fā)酵過程中先加強通氣攪拌，使DO盡可能上升到實驗大值，然后終止通氣，繼續(xù)攪拌，并在罐頂部空間充氮，這時因為菌體呼吸，DO迅速下降，直到其直線斜率開始減小，這時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。
在適溶解氧濃度范圍內發(fā)酵有利于菌體生長和產(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低限外，還有個高限。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。