發(fā)酵生產(chǎn)溶解氧：精準(zhǔn)控制溶解氧，解鎖高效生產(chǎn)
控制溶解氧的核心意義在于，通過精確調(diào)節(jié)這一關(guān)鍵參數(shù)，可以平衡菌體生長與產(chǎn)物合成，直接決定代謝流向，從而在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，最大限度地提高產(chǎn)率和生產(chǎn)效益。
氧氣給多了或給少了，都可能出問題：要么菌長不好，要么想要的產(chǎn)品產(chǎn)不出來，反而產(chǎn)生一堆別的東西。這就好比種地，不同時(shí)節(jié)澆水施肥的量都不同。
另外，往發(fā)酵罐里通空氣需要相應(yīng)的能耗成本，但真正被用掉的氧氣其實(shí)很少，大部分都白白跑掉了，是一種很大的浪費(fèi)。
所以，如何根據(jù)發(fā)酵的不同階段，聰明地控制好溶解氧，既讓菌好好生長、多出產(chǎn)品，從而保證產(chǎn)品的成本與質(zhì)量，就是一門需要仔細(xì)研究的學(xué)問。下面我們就來看看工業(yè)發(fā)酵中溶氧檢測(cè)及控制溶解氧的意義。
溶解氧是衡量發(fā)酵液內(nèi)溶解的分子態(tài)氧氣濃度的關(guān)鍵參數(shù)，在工業(yè)發(fā)酵中至關(guān)重要。它通常以相對(duì)飽和度（%） 來表示，即當(dāng)前溶解氧量占該條件下飽和溶解氧量的百分比。這種表示方法比絕對(duì)濃度（如mg/L）更直觀，便于在不同溫度、壓力條件下進(jìn)行跨批次比較和工藝控制。
目前，工業(yè)上主要依賴溶氧電極進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。主流的電極技術(shù)可分為兩類：
1. 膜電極（也稱極譜型電極）：這是應(yīng)用最經(jīng)典、最廣泛的技術(shù)。其核心原理是氧氣透過一層選擇性透氣膜，在陰極被還原并產(chǎn)生電流信號(hào)，該電流與氧分壓成正比。它的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好，但需要定期更換電解液和膜。
2. 光學(xué)電極（熒光法電極）：這是近年來快速發(fā)展的新技術(shù)。其原理是利用特定波長的光激發(fā)熒光物質(zhì)，而溶解氧會(huì)“淬滅”其熒光強(qiáng)度與壽命，通過檢測(cè)熒光變化來精確計(jì)算氧濃度。它的最大優(yōu)點(diǎn)是無需消耗氧氣、幾乎免維護(hù)（無需換膜補(bǔ)液），響應(yīng)速度快，且不易受攪拌流速影響。
在設(shè)備供應(yīng)商方面，梅特勒-托利多（Mettler Toledo）和漢密爾頓（Hamilton） 是長期主導(dǎo)市場(chǎng)的國際品牌，以其高精度、可靠性和完整的傳感器生態(tài)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。同時(shí)，像西爾曼這樣的國內(nèi)廠商近年來也開始發(fā)力，憑借快速的技術(shù)迭代、更具競(jìng)爭(zhēng)力的成本以及本地化的服務(wù)支持，在市場(chǎng)上逐漸占據(jù)一席之地，為用戶提供了更多元化的選擇。
現(xiàn)代發(fā)酵過程已經(jīng)可以通過以上可靠的傳感技術(shù)（無論是成熟的膜電極還是先進(jìn)的光學(xué)電極）與來自主流或新興廠商的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶解氧這一關(guān)鍵參數(shù)的精準(zhǔn)、穩(wěn)定監(jiān)控，這也為我們優(yōu)化工藝控制提供了數(shù)據(jù)支持。
溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，即對(duì)于細(xì)胞生長的最佳氧濃度不一定是產(chǎn)物的最佳濃度，換言之，發(fā)酵不同階段對(duì)氧的需求不同。
例如，谷氨酸發(fā)酵過程中，在菌體生長繁殖階段比谷氨酸生成階段對(duì)溶氧要求低，在菌體生長繁殖階段，若供氧過量，在生物素限量的情況下，抑制菌體生長；而在發(fā)酵產(chǎn)酸階段，若供氧不足，發(fā)酵的主產(chǎn)物將由谷氨酸轉(zhuǎn)為乳酸。但是，如果供氧過量，則不利于α-酮戊二酸進(jìn)一步還原氨基化而積累大量α-酮戊二酸。因此，了解菌體生長繁殖階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適耗氧量，就可以合理地控制整個(gè)發(fā)酵過程不同階段氧的供給。
由于空氣中的氧在發(fā)酵液中溶解度很低，因此，發(fā)酵行業(yè)中給發(fā)酵液通氣時(shí)空氣中氧的利用率很低。
如在抗生素發(fā)酵過程中，被微生物利用的氧不超過空氣中氧含量的2%；在谷氨酸發(fā)酵過程中，氧的利用率僅為10%~30%。所以，大量經(jīng)過凈化處理的無菌空氣在給發(fā)酵液通氣過程中因溶解少被大量浪費(fèi)掉。
因此，必須設(shè)法提高發(fā)酵工業(yè)好氧發(fā)酵的傳氧效率，工業(yè)上提高傳氧效率，主要從設(shè)備、工藝和材料三方面入手：設(shè)備上，通過改進(jìn)攪拌槳、使用自吸式發(fā)酵罐等來打散氣泡、增大接觸面積；工藝上，根據(jù)發(fā)酵階段精準(zhǔn)調(diào)控通氣量，并控制泡沫；材料上，可添加氧載體（如正十二烷）作為“氧氣巴士”，直接提高氧氣在發(fā)酵液中的溶解和傳遞效率。這些方法的綜合運(yùn)用，可以大大降低無菌空氣消耗量，降低設(shè)備運(yùn)行成本和動(dòng)力消耗，而且還可以減少泡沫形成和染菌的可能。
