供氧不足減產，過量又浪費？搞懂微生物需氧的因素
微生物的需氧量由其自身的遺傳特性、生理狀態(tài)（菌齡）、代謝路徑（如TCA或EMP）以及外部的培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)條件共同動態(tài)決定。
疣孢漆斑霉在分批發(fā)酵時呼吸強度的變化情況
分批發(fā)酵過程中，微生物細胞耗氧的一般規(guī)律如上圖所示。由圖分析可知：
在培養(yǎng)初期，呼吸強度Qo?逐漸增高，此時菌體濃度很低；在對數(shù)生長期初期，呼吸強度就達到了最大值即(Q9?)m，但此時菌體濃度還較低，因此，發(fā)酵液的攝氧率并不高；隨著微生物細胞濃度在對數(shù)生長期迅速增高，發(fā)酵液的攝氧率也迅速增高，并在對數(shù)生長期的后期達到最大值，此時的呼吸強度略低于其最大值，且菌體還在生長，此時的菌體濃度也低于其最大值；在對數(shù)生長期末，由于發(fā)酵液中營養(yǎng)物質的消耗帶來的底物限制以及代謝產物的抑制作用，細胞活力已經下降，同時，發(fā)酵罐的氧傳遞能力因受菌體濃度大量增加等的影響也在下降，所以，呼吸強度明顯下降，雖然這時的菌體濃度仍有增加甚至達到了最大值，但發(fā)酵液的攝氧率已出現(xiàn)下降；到發(fā)酵后期，因基質耗盡，細胞出現(xiàn)自溶，呼吸強度進一步下降，攝氧率也隨之迅速下降。
以上所述的只是呼吸強度和攝氧率變化的一般規(guī)律，這一規(guī)律通常還要受到以下因素的限制和影響。
（1）微生物遺傳特征的影響
不同種類微生物的耗氧量不同，一般為25～100 mmol O?/(L·h)，但也有少數(shù)微生物很高。同一種微生物的耗氧量，隨著菌齡和培養(yǎng)條件不同而異。菌體生長和大量形成代謝產物時的耗氧量也往往不同。
根據(jù)文獻資料，工業(yè)液體有氧發(fā)酵的通氣量一般范圍通常在 0.5 到 2.0 vvm 之間，我們可以反推出空氣中的氧氣利用率10%~15%（受多因素影響，該值為大致估算值）。
（2）培養(yǎng)基成分和濃度的影響
培養(yǎng)基成分尤其是碳源種類對微生物細胞的耗氧量有很大影響，且培養(yǎng)基濃度也會影響細胞的耗氧速率。在細胞適應的濃度范圍內，培養(yǎng)基濃度越大，細胞代謝越旺盛，耗氧增加；反之亦然，如碳源成為限制性基質時，細胞呼吸強度下降明顯，當補充碳源后，呼吸強度又迅速上升。此外，若培養(yǎng)基中含有生長抑制劑時，呼吸強度也會受到抑制。
（3）菌齡
從細胞個體的角度看，一般幼齡菌體生長旺盛，呼吸強度大，老齡菌生長慢，呼吸強度較小。
（4）培養(yǎng)條件
pH、溫度等因素通過影響菌體的酶活性而影響到菌體的呼吸強度，而且溫度還會通過改變發(fā)酵液中溶解氧濃度來影響菌體的呼吸強度。
（5）代謝類型
若產物是通過三羧酸循環(huán)（TCA）產生，則代謝旺盛，呼吸強度高，需氧量大；若產物是通過糖酵解途徑（EMP）產生，則代謝較弱，呼吸強度低，耗氧量小。
在工業(yè)發(fā)酵生產中，生產TCA循環(huán)相關產物（如檸檬酸、氨基酸），必須配備強大的供氧系統(tǒng)（高效攪拌、高通氣量）。生產EMP途徑產物（如乳酸、酒精），則需嚴格控制低溶氧甚至無氧環(huán)境。
需注意在TCA循環(huán)主導的過程中，如果溶氧（DO）突然急劇上升，往往意味著細胞呼吸減弱，TCA循環(huán)可能受阻（如營養(yǎng)耗盡、中毒），是重要的異常信號。
這些影響微生物需氧的核心因素，共同編織成發(fā)酵過程中動態(tài)變化的耗氧邏輯：從菌種自身的遺傳特性與菌齡節(jié)律，到培養(yǎng)基的“代謝驅動力”，再到環(huán)境條件與代謝路徑的底層約束，每一環(huán)都在左右著耗氧曲線的走向。這也意味著工業(yè)生產中“固定供氧”的思路不可取，必須以動態(tài)、精準的策略適配菌體的實時需求。
溶解氧（DO）濃度是這場調控的“指揮棒”：它的異常波動對應著不同的生產信號——DO異常時，需優(yōu)先排查對數(shù)生長期的群體耗氧、基質供給或環(huán)境參數(shù)；而TCA途徑產物生產中DO異常升高，可能是代謝受阻的影響。通過緊盯這一指標，生產人員能快速定位問題，及時調整操作。
說到底，高效的發(fā)酵生產，正是在理解微生物“需氧規(guī)律”的基礎上，用通氣、攪拌、補料等手段，為菌體的生長代謝適配恰到好處的氧氣。讓供氧節(jié)奏與菌體的生長、產率需求同頻，才能實現(xiàn)高產、穩(wěn)產與低成本的工業(yè)目標。
