溶氧对发酵的影响及控制_张智

2008.No21６３

摘要：发酵液中的溶氧浓度（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　Ｏｘｙｇｅｎ　，简称ＤＯ）对微生物的生长和产物形成有着重要的影响。在发酵过程中，必须供给适量的无菌空气，菌体才能繁殖和积累所需代谢产物。不同菌种及不同发酵阶段的菌体的需氧量是不同的，发酵液的ＤＯ值直接影响微生物的酶的活性、代谢途径及产物产量。发酵过程中，氧的传质速率主要受发酵液中溶解氧的浓度和传递阻力影响。研究溶氧对发酵的影响及控制对提高生产效率，改善产品质量等都有重要意义。

关键词：溶氧　发酵　代谢　溶氧控制

一、溶氧对发酵影响

溶解氧对发酵的影响分为两方面：一是溶氧浓度影响与呼吸

链有关的能量代谢，从而影响微生物生长；另一是氧直接参与产物合成。［１］

（一）溶氧对微生物自身生长的影响

根据对氧的需求，微生物可分为专性好氧微生物、兼性好氧微生物和专性厌氧微生物。专性好氧微生物把氧作为最终电子受体，通过有氧呼吸获取能量，如霉菌；进行此类微生物发酵时一般应尽可能的提高溶解氧（ＤＯ），以促进微生物生长，增大菌体量。兼性好氧微生物的生长不一定需要氧，但如果在培养中供给氧，则菌体生长更好，如酵母菌；典型如乙醇发酵，对溶ＤＯ的控制分两个阶段，初始提供高ＤＯ值进行菌体扩大培养，后期严格控制ＤＯ进行厌氧发酵。厌氧和微好氧微生物能耐受坏境中的氧，但它们的生长并不需要氧，这些微生物在发酵生产中应用较少。而对于专性厌氧微生物，氧则可对其显示毒性，如产甲烷杆菌，此时能否限制ＤＯ在一个较低值往往成为发酵成败的关键。

溶解氧对微生物自身生长的影响体现在多个方面，其中对微生物酶的影响是不可忽略的重要因素。Ｘｉａｏ等［２］研究了不同溶氧对谷氨酸发酵中两个关键酶（谷氨酸脱氢酶ＧＤＨ和乳酸脱氢酶ＬＤＨ）和代谢流的影响，研究表明，在过低溶氧条件下，ＴＣＡ循环代谢流量减小，不足以平衡葡萄糖酵解速率，从而刺激了ＬＤＨ的酶活，使代谢流转向乳酸生成，造成乳酸积累；而过高溶氧，ＧＤＨ酶活明显降低，且ＴＣＡ循环流量加大，生成大量ＣＯ２，造成碳源损失，两种情况均不利于谷氨酸生成。

啤酒工业中，在啤酒的发酵阶段，酵母的繁殖需要有足够的氧气，在除此之外的任何阶段都应极力避免氧的参与。啤酒发酵液总含氧量由酒体溶解氧和瓶颈空气两部分组成，一般情况下，啤酒中的含氧量超过２ＰＰＭ时对生产就有明显的危害。［３］因为氧气的存在会促使酵母采取有氧呼吸的代谢途径，从而破坏乙醇发酵的厌氧代谢过程。但是，研究表明无氧条件下发酵生成的乙醇低于溶氧控制在１％－４％条件下生成的乙醇。这主要是由于无氧条件下的菌体量远远低于有氧条件下菌体量，而乙醇的生成与菌体量有很大的联系。［４］

类似微生物发酵的活性污泥法处理污水的过程中，ＤＯ的影响及控制也十分重要。曝气池中氧气不足和过量都会对微生物生存环境带来不利影响．当氧气不足时，一方面由于曝气池中丝状菌会大量繁殖，最终产生污泥膨胀；另一方面会降低细菌分解的效果，延长处理时间，甚至导致生物处理失效．而氧气过量（即过量曝气）则会由于絮凝剂遭到破坏而导致悬浮固体沉降性变差，同时使能耗过高。［５］

（二）溶氧对发酵产物的影响

对于好氧发酵来说，溶解氧通常既是营养因素，又是环境因素。特别是对于具有一定氧化还原性质的代谢产物的生产来说，ＤＯ的改变势必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同时也会对细胞生长和产物的形成产生影响。［６］

溶氧对发酵的影响及控制

在黄原胶发酵中，虽然发酵液中的溶氧浓度对菌体生长速率影响不大，但是对菌体浓度达到最大之后的菌体的稳定期的长短及产品质量却有着明显的影响。［７］

需氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖性。谷氨酸发酵中，高溶氧条件下乳酸脱氢酶（ＬＤＨ）活性明显比低溶氧条件下的ＬＤＨ酶活要低，产酸中后期谷氨酸脱氢酶（ＧＤＨ）的酶活下降很快，这可能是由于在高溶氧条件下，剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。［８］

ＤＯ值的高低还会改变微生物代谢途径，以致改变发酵环境甚至使目标产物发生偏离。研究表明，Ｌ－异亮氨酸的代谢流量与溶氧浓度有密切关系，可以通过控制不同时期的溶氧来改变发酵过程中的代谢流分布，从而改变Ｉｌｅ等氨基酸合成的代谢流量。［９］

二、溶氧量的控制

对溶解氧进行控制的目的是把溶解氧浓度值稳定控制在一定

的期望值或范围内。在微生物发酵过程中，溶解氧浓度与其它过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理、化学和微生物因素的影响和制约。从（１）式氧的传递速率方程也可看出，对ＤＯ值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。

（一）控制溶氧量。（Ｃ＊－ＣＬ）是氧溶解的推动力，控制溶氧量首要因素是控制氧分压（Ｃ＊）。高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。如啤酒发酵，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到８～１０ＰＰＭ；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过２ＰＰＭ。［３］

此外，由于氧是难溶气体，一定温度和压力下，ＤＯ值有一上限。为此，向发酵液中加入氧载体是提高ＤＯ值的一个行之有效的方法。实验表明，在发酵基质中添加５％正十二烷，可明显地提高发酵介质中的溶氧水平，改善供氧条件，维持溶氧的相对稳定，增加菌体浓度，提高Ｌ－天冬酞胺酶发酵水平（２１％左右）

（二）控制氧传递速率。氧传递速率主要考虑ＫＬａ的影响因素。从一定意义上讲，ＫＬａ愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好。

控制ＫＬａ的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构３个部分。操作变量包括温度、压力、通风量和转速（搅拌功率）等；发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型等；反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。当然有些因素是相互关联的。

值得注意的是，在培养过程中并不是维持ＤＯ越高越好。即使是专性好气菌，过高的ＤＯ对生长可能不利。过量的氧形成新生Ｏ，超氧化物Ｏ２－和过氧化物基Ｏ２２－，破坏许多细胞组分，进而破坏微生物生长。

三、结束语

发酵液中的氧含量对菌体生长和产物形成都有着重要的影响，溶氧量的控制主要从氧的溶解和传递两个方面考虑。随着计算机和自动化技术的发展，发酵工业中从ＤＯ的测量到分析控制都正逐步走向自动及控制一体化模式，研究利用ＤＯ作为补料的在线控制信号［９］将大大提高了发酵调控的准确性和自动化性能。

然而，在ＤＯ测量方面目前使用较多的三种方法导管法，质谱电极法及电化学检测法因均使用膜，在检测精度和作为调控信号响应时间方面还有待进一步提高。

参考文献：

［１］赵东峰，梁春艳，任翔等．溶氧对生物转化泰乐菌素为其酰化物的影响［Ｊ］．中国医药工业杂志，２００６，３７（３）：１６２－１６４

◇　张 智 滕婷婷 王 淼

2008.No21６４

摘要：本文分析了当前网络时代计算机病毒的特点，并提出了相应的防范措施，对今后的病毒防范趋势作了预测与判断。

关键词：网络 病毒 防范

一、计算机病毒的特点

计算机病毒就是能够通过某种途径潜伏在计算机存储介质（或程序）里，当达到某种条件时即被激活的具有对计算机资源进行破坏作用的一组程序或指令集合。广义的计算机病毒还包括逻辑炸弹、特洛伊木马和系统陷阱入口等等。计算机病毒虽是一个小小程序，但它和通常的计算机程序不同，具有以下特点。

（一）计算机病毒的程序性（可执行性）：计算机病毒与其他合法程序一样，是一段可执行程序，但它不是一个完整的程序，而是寄生在其他可执行程序上，因此它享有—切程序所能得到的权力；

（二）计算机病毒的传染性：传染性是病毒的基本特征，计算机病毒会通过各种渠道从已被感染的计算机扩散到未被感染的计算机。病毒程序代码一旦进入计算机并得以执行，它就会搜寻其他符合其传染条件的程序或存储介质，确定目标后再将自身代码插入其中，达到自我繁殖的目的；

（三）计算机病毒的潜伏性：一个编制精巧的计算机病毒程序，进入系统之后一般不会马上发作，可以在几周或者几个月内甚至几年内隐藏在合法文件中。对其他系统进行传染，而不被人发现；

（四）计算机病毒的可触发性：病毒因某个事件或数值的出现，诱使病毒实施感染或进行攻击的特性；

（五）计算机病毒的破坏性：系统被病毒感染后，病毒一般不即时发作，而是潜藏在系统中，等条件成熟后，便会发作，给系统带来严重的破坏；

（六）攻击的主动性：病毒对系统的攻击是主动的，计算机系统无论采取多么严密的保护措施都不可能彻底地排除病毒对系统的攻击，而保护措施充其量是一种预防的手段而已；

（七）病毒的针对性：计算机病毒是针对特定的计算机和特定的操作系统的。例如，有针对ＩＢＭ　ＰＣ机及其兼容机的，有针对Ａｐｐｌｅ公司的Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ的，还有针对ＵＮＩＸ操作系统的。例如小球病毒是针对ＩＢＭＰＣ机及其兼容机上的ＤＯＳ操作系统的。

二、计算机病毒的防范措施

计算机网络中最主要的软硬件实体就是服务器和工作站，所以防治计算机网络病毒应该首先考虑这两个部分，另外加强综合治理也很重要。

（一）基于工作站的防治技术。工作站就像是计算机网络的大门。只有把好这道大门，才能有效防止病毒的侵入。工作站防治病毒的方法有三种：一是软件防治，即定期不定期地用反病毒网络时代计算机病毒的特点及其防范措施

软件检测工作站的病毒感染情况。软件防治可以不断提高防治能力，但需人为地经常去启动软盘防病毒软件，因而不仅给工作人员增加了负担，而且很有可能在病毒发作后才能检测到。二是在工作站上插防病毒卡。防病毒卡可以达到实时检测的目的，但防病毒卡的升级不方便，从实际应用的效果看，对工作站的运行速度有一定的影响。三是在网络接口卡上安装防病病毒芯片。它将工作站存取控制与病毒防护合二为一，可以更加实时有效地保护工作站及通向服务器的桥梁。但这种方法同样也存在芯片上的软件版本升级不便的问题；而且对网络的传输速度也会产生一定的影响。

（二）基于服务器的防治技术。网络服务器是计算机网络的中心，是网络的支柱。网络瘫痪的—个重要标志就是网络服务器瘫痪。网络服务器—旦被击垮，造成的损失是灾难性的、难以挽回和无法估量的。目前基于服务器的防治病毒的方法大都采用防病毒可装载模块（ＮＬＭ），以提供实时扫描病毒的能力。有时也结合利用在服务器上的插防毒卡等技术，目的在于保护服务器不受病毒的攻击，从而切断病毒进一步传播的途径。

（三）加强计算机网络的管理。计算机网络病毒的防治，单纯依靠技术手段是不可能十分有效地杜绝和防止其蔓延的，只有把技术手段和管理机制紧密结合起来，提高人们的防范意识，才有可能从根本上保护网络系统的安全运行。目前在网络病毒防治技术方面，基本处于被动防御的地位，但管理上应该积极主动。应从硬件设备及软件系统的使用、维护、管理、服务等各个环节制定出严格的规章制度、对网络系统的管理员及用户加强法制教育和职业道德教育，规范工作程序和操作规程，严惩从事非法活动的集体和个人尽可能采用行之有效的新技术、新手段，建立”防杀结合、以防为主、以杀为辅、软硬互补、标本兼治”的最佳网络病毒安全模式。

三、网络病毒防治的发展趋势

计算机病毒在形式上越来越难以辨别，造成的危害也日益严重，已就要求网络防毒产品在技术上更先进，功能上更全面。从目前病毒的演化趋势来看，网络防病毒产品的发展趋势主要体现在以下几个方面。

（一）反黑与杀毒相结合；（二）从入口拦截病毒；（三）提供全面解决方案；（四）客户化定制模式；（五）防病毒产品技术由区域化向国际化转盘。

参考文献：［１］陈立新．　计算机：病毒防治百事通［Ｍ］．　北京：清华大学出版社，２００１．［２］电脑报．　２００３合订本．　北京：电子工业出版社，２００３．

（作者单位：重庆工业职业技术学院）［２］Ｘｉａｏ　Ｊ，　ＳｈｉＺＨ　Ｐ，ＧａｏＰ，　ｅｔ　ａｌ　．　Ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａ－ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｌｕｔａｍａｔｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂａｌａｎｃｅｄ　ｍｅｔａｂｏｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌ　［Ｊ］．ＲＱ．Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，２９：１０９－１１７

［３］李仁建．氧对啤酒的影响与减少氧化的措施［Ｊ］．啤酒科技，２００４（３）：３６－３８

［４］何向飞，张梁，石贵阳．利用溶氧控制策略进行高密度和高强度乙醇发酵的初步研究［Ｊ］．食品与发酵工业，２００８，３４（１）：２０－２３

［５］Ｚｈａｎｇ　Ｐｉｎｇ　，　Ｙｕａｎ　Ｍｉｎｇｚｈｅ　，　Ｗａｎｇ　Ｈｏｎｇ．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎＤｉｓｓｏｌｖｅｄ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ．　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，　２００７，３６（２）：１９９－２０３

［６］卫功元，王大慧，陈坚．不同溶氧控制方式下的谷肤甘肤分批发酵过程分析［Ｊ］．化工学报，２００７（９）：２３３０－２３３２

［７］林剑，郑舒文，徐世艾．搅拌与溶氧对黄原胶发酵的影响［Ｊ］．中国食品添加剂，２００３（２）：６３－６５

［８］郜培，陆静波等．溶氧浓度对谷氨酸发酵关键酶的影响［Ｊ］．食品与发酵工食品与发酵工业，２００５（３１）：７２－７５

［９］杨宁，王健等．基于途径分析的Ｌ－异亮氨酸发酵溶氧控制研究［Ｊ］．中国生物工程杂志，２００７，２７（２）：７０－７５

（作者单位：中国矿业大学化工学院生物工程系）

◆　李金珂 雷正桥