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3 种通气水平时 pH 值变化在前期基本相似。
30 h 之前菌体处于延滞期,pH 值基本维持在设定的
4郾 0 左右;在 30 ~ 54 h, 随着菌体进入对数生长期,
发酵液中碳源大量被利用, 菌体生长代谢产生乳酸
等酸性代谢产物, 导致发酵液 pH 值呈现快速下降
趋势。 54 h 后 ,随着发酵液中碳源的不断减少,碳源
即成为菌体生长的限制性因素。 在直接碳源不足的
情况下,菌体会利用含氨基酸的氮源及代谢产物乳
酸等作为碳源供菌体生长。 由于氨基酸代谢及乳酸
的利用均会增加 pH 值 ,所以后期 pH 值又呈现回升
趋势。 发酵结束,通气量为 0郾 5颐 1 时, 相对于高通气
量的 1颐 2和 1颐 3组 ,因为通气量较小 ,菌体生长缓慢,
橙色素产出同时消耗的碳氮源底物相对较低。 最终
结束时氮源利用尚不完全,所以 pH 值仍维持在 4郾 0
~ 4郾 5。 高通气量组因为溶氧一直处于相对充足的
水平,菌体生长直至发酵液中碳氮源底物均消耗殆
尽,所以最终发酵结束时 pH 值较低,仅有 2郾 7 左右。
2郾 1郾 3摇 10 L 罐搅拌转速对橙色素发酵的影响
搅拌可以防止气泡聚集, 使液体形成湍流,增加
气液接触时间,将空气通过搅拌桨叶端的高速剪切
力破碎成小气泡。 从而明显增大有效气液传递面
积,增大液体流动速度, 减少双膜理论中气液界面滞
留层的厚度, 降低传质阻力,改善溶氧 [20] 。 因此, 需
在合理范围内控制搅拌转速。
在 1颐 3 通气条件下 ,分别设定发酵转速为 100,
200,300 r / min,考察了转速对菌体量和橙色素色价
的影响,结果见图 3。 图 3 显示, 转速升高, 最终菌
体量和橙色素色价也随之升高, 但涨幅不大。 3 个
搅拌转速下, 发酵 6 d, 橙色素色价分别达到 317,
336,350 U / mL。 通气量一定的条件下,随着转速升
高,发酵液内的溶氧也相应提高 。 红曲菌代谢对氧
的需求量大,较高的溶氧条件下 ,糖消耗快, 相对更
有利于菌体的生长及色素的产生。 搅拌转速达到
200 r / min 后, 随着搅拌转速的增加,菌体和橙色素
色价增长幅度不大, 说明转速并不是越大越好。 另
外,盲目提高转速不仅会大幅增加搅拌功率 ,同时会
使菌体受到剪切力的破坏,不利于发酵的进行。
2郾 2摇 优化溶氧条件放大至 50 L 发酵罐中发酵结果
根据 10 L 发酵罐中溶氧条件试验结果可知, 通
气量和搅拌转速增加后溶氧水平会相应提高, 对菌
体生长和橙色素合成有利。 在此结论基础上, 根据
50 L 罐的最大允许设置条件,确定 50 L 罐上通气量
为 1颐 0郾 9,转速为 200 r / min,发酵结果见图 4 和图 5。
图 3摇 不同搅拌转速下菌体量及色价的变化
Fig. 3摇 Biomass and color value under different
stirring speed
图 4摇 50 L 罐发酵过程中总糖、 菌体量和色价的变化
Fig. 4摇 Change of total sugar, biomass and color value in
50 L bioreactor
图 5摇 50 L 罐发酵过程中 pH 值和溶氧变化
Fig. 5摇 Change of DO and pH in 50 L bioreactor
由图 4、图 5 可知,50 L 罐中底物消耗( 总糖) 情
况与 10 L 罐中 1颐 2和 1颐 3通气量时相似。 72 h 前底
物随着菌体量的对数生长期快速增加而迅速消耗 ,
总糖浓度快速下降;72 h 后随着菌体量达到最大值
且处于稳定期后 , 橙色素色价开始快速增加; 直到
144 h 底物消耗殆尽 ,菌体生长处于衰亡期 , 色价已
没有明显增加趋势。 结束发酵时最终橙色素色价达
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第 33 卷 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张慧娟等: 溶氧对红曲菌发酵生物合成橙色素的影响