发酵液中溶解氧变化及其控制
马腾+何连顺+米造吉+李斌水+马静+张仲良
摘 要：精氨酸作为人体的扮必需氨基酸，其功能性作用及药理作用逐渐被人们所重视，发酵法以其成本低、生产清洁等优势，成为当前精氨酸的主流生产方法。本文主要通过研究发酵过程中的OD、PH、补料、溶氧等过程的控制，实现精氨酸发酵水平的提高，实验发现在PH=7的条件下，一次补料，高溶氧有利于发酵的进行。
关键词：L-精氨酸；发酵；过程控制；优化
中图分类号：TQ922 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0200-02
1 精氨酸简述
精氨酸是一种α氨基酸，具有调节血糖、保护肝脏、增强人体免疫力、延缓衰老、促进功能抗疲劳、促进伤口愈合的独特生理功能。精氨酸的制备方法有发酵法、化学合成法和蛋白质（如明胶）水解物经离子交换分离提取法，目前用发酵法较多，但不是高产酸率的品种。我国的发酵法生产水平更低，故当前国内精氨酸以动物蛋白为原料生产更有经济价值。国外如日本等发达国家基本都采用先进的发酵法，而国内的发酵方法尚处于研究阶段，故此，国内L-精氨酸的生产主要是抽提法。但是抽提法收到原料、环保等限制，具有明显的生产局限性。
2 优化设计
2.1 优化思路
发酵工艺的优化在发酵行业起到很大的作用，尤其是在发酵生产中，它是提高发酵指标的一项非常有用的技术手段。发酵工艺优化各因素之间不是孤立的，而是相互联系的。为了提高发酵生产水平，人们首先考虑的是菌种的选育或基因工程的构建。而实际上，发酵工艺的优化，包括生物反应器中的工程问题，也同样非常重要。发酵环境条件的优化是发酵过程中最基本的要求，也是最重要、最难掌握的技术指标。温度、pH值、溶氧、搅拌转速、氨离子、金属离子、营养物浓度等的优化控制，依据不同的发酵而有所不同。同时，微生物在生长的不同阶段、生产目的代谢产物的不同时期，对环境条件可能会有不同的要求。因此，应该在生物反应器内，使温度、pH值、溶氧、搅拌转速等不断变换，始终为其提供最佳的环境条件，本实验以溶氧和PH为主要内容进行验证。
2.2 检测方法
（1）仪器：722分光光度计，上海保兴生物设备有限公司 07-F28发酵罐30L，BR16012发酵罐70L（2）试剂与溶液：1）混合试剂：8-羟基喹啉5g加双乙酰水溶液2.5ml，用正丙醇定容至100ml；2）氫氧化钠溶液：（3/7）mol/l；3）精氨酸标品溶液：先配成1%的精氨酸标准溶液，临用时再稀释100倍。（3）样液的测定：取3根试管，分别吸取样品、精氨酸标品、和蒸馏水各0.5ml，分别加入3.5ml3/7N的氢氧化钠溶液，最后分别加入混合试剂1ml摇匀后，在水浴锅30℃水浴20分钟。用722分光光度计在520nm处检测吸光度。（4）数据处理与计算：精氨酸含量=-×稀释倍数。
3 溶氧控制优化过程与讨论
3.1 第一次实验方案及结论分析
3.1.1 过程控制方案
溶氧控制：发酵罐溶氧控制在15%～25%，当溶氧低于15%后，开始调整转速，每次10r。补料控制：采用流加方式补料，根据溶氧回升情况确定补料起始时间。控制过程中，在发酵周期26h左右，溶氧开始回升，溶氧超过35，开始补料。分20次补完。前十次每小时补料一次，每次100ml；后十次每两小时补料一次，每次100ml。补糖控制：发酵罐初始糖为8%，在培养过程通过测验样来确定补糖时间与补糖量。中间控制残糖为2.5-2.0%。计算补糖量时，以3%目标含量为基准。当残糖过低时，一次性补糖至残糖2.0%。PH控制：接种前调节PH为7.00。培养过程中PH下降过，这时向罐内通氨水控制PH7.00。发酵罐发酵过程中，PH根据OD生长情况调整：
3.1.2 分析与总结
DO回升时间提前，前期补料后溶氧无变化，精氨酸积累高峰48～54h，还原糖浓度偏高时生长情况好于还原糖浓度低时，泡沫难控制，消泡后溶氧下降幅度超过15%。
3.2 第二次实验方案及结论分析
3.2.1 过程控制方案
在实验一的基础上，根据结果，进一步调整过程PH控制方案。
以下为两批次的实验数据（二-三），见表2-3所示。
3.2.2 分析与总结
通过对上面的数据进行分析，更改PH后对精氨酸菌种生长影响不明显，产酸有增快趋势，残糖控制不稳定，波动范围比较大，提高还原糖水平后无不良影响。
4 总结
4.1 工艺优化结论
在PH全过程控制7时，适宜精氨酸发酵，高溶氧控制有利于发酵进行，一次性补料方式相较于多次过程补料方式有利于发酵水平提高。
4.2 实验的不足之处和展望
本课题对不同控制条件下精氨酸发酵过程进行研究，对结果进行分析测定，用于精氨酸发酵放大生产的指导，但实验整体存在着很大的不足。由于时间仓促，实验组数太少，不能完整反应各个条件下的发酵过程。未能对温度等控制参数进行试验验证。未对菌种选育、放大进行研究。没能对不同发酵菌种的影响进行分析验证。显色法检测精氨酸含量，存在一定的误差，对结果分析可能造成偏差。
参考文献
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