生物工艺和发酵中试工厂通过持续匹配氧传递速率与生物氧摄取速率来维持溶解氧（DO）。 DO 传感器实时测量培养液中的氧浓度，而级联控制系统则调节搅拌、无菌空气流量、气体组成、反应器压力或纯氧补充量。在生物量指数增长期间，运行目标通常维持在高于约空气饱和度的 20%，但正确的临界值取决于生物体、细胞系、产品和工艺。
核心控制问题是使氧传递速率（OTR）至少等于氧摄取速率（OUR）。 当生长中的细胞消耗氧气的速度快于反应器将氧气从气相传递到液相的速度时，DO 会下降。因此，中试工厂会在培养物达到缺氧限制之前，提高混合效果和氧气供应量。
中试工厂如何控制溶解氧
实时 DO 测量
极谱式或光学 DO 探头可测量液相中的氧浓度。控制器将该测量值与设定的 DO 设定点进行比较，该设定点通常表示为空气饱和度的百分比。
设定点并非普遍适用。好氧微生物培养通常在约 20% 饱和度以上运行，以避免生长速率受限；而某些哺乳动物细胞工艺使用约 30% 饱和度的目标值，或采用其他针对特定细胞系的临界值。
搅拌级联控制
第一项控制措施通常是提高搅拌桨转速。更高的搅拌强度能够分散气泡、增加气液界面面积，并降低液膜阻力。
这些作用会提高体积氧传递系数 kLa，使氧气更快地从气泡进入培养液。搅拌虽然有效，但会增加能耗，也可能提高剪切应力。
通气和气体组成控制
如果提高搅拌强度仍不足以满足需求，系统可以提高通过气体分布器的无菌空气流量。环形和管式气体分布器常用于将气体分散到培养物中。
更高的气流量会增加氧气供应，但也可能导致起泡、过度气提以及更大的蒸发损失。因此，气流量通常会在规定的运行范围内进行调节。
富氧气体或纯氧
当空气和搅拌无法提供足够的传递能力时，控制器可以提高入口气体中的氧气比例。在高密度补料分批生长期间，氧需求会急剧上升，此时补充纯氧尤其有用。
提高氧气比例会增加液相侧的传质推动力，因为饱和氧浓度 C* 会升高。这样可以在不需要过高气流量或搅拌强度的情况下稳定 DO。
压力和反应器设计
提高反应器压力也可以增加氧气溶解度，从而提高氧传递推动力。在气升式发酵罐中，压力选择可能需要结合气体表观速度、氧气消耗分数、流路几何结构和生物动力学参数进行评估。
设计计算或模拟可以估算反应器不同区域的 DO 分布。随后，在机械和工艺限制范围内，通过迭代调节运行压力，以达到所需的氧浓度。
什么决定了氧需求？
生物量浓度
首要的一阶影响因素通常是反应器中具有活性呼吸能力的生物量。随着细胞密度增加，即使每个细胞的氧需求保持不变，总氧摄取速率通常也会增加。
一个有用的关系式为：
[ OUR = q_{O_2}X ]
其中，OUR 为体积氧摄取速率，(q_{O_2}) 为比耗氧速率，(X) 为生物量浓度。
比耗氧速率
比耗氧速率反映每单位生物量使用氧气的速度。它会随生长速率、底物供应、温度、pH、溶解氧、营养平衡以及细胞生理状态而变化。
细胞可能会将氧气用于生物量合成、能量生成、维持代谢、重组产品表达、质粒复制以及其他代谢活动。因此，仅凭底物浓度无法推断氧需求。
生长速率和代谢状态
氧需求通常会在指数生长期上升，因为培养物正以较高速率合成新的生物量。在补料分批工艺中，如果加入的底物支持更快的生长，提高补料速率还会进一步增加氧摄取。
这种关系并不总是线性的。氧限制、碳溢流代谢、应激或产物形成都可能改变代谢方向，从而同时影响耗氧量和二氧化碳生成量。
碳源和氮源底物
生物量形成并不意味着所有碳源底物都被完全氧化为二氧化碳和水。一部分碳和氮会被整合到细胞物质中，而其余部分可能形成二氧化碳、水、有机酸、醇或其他胞外代谢物。
因此，氧需求取决于实际的代谢和化学计量途径。在不同生长条件下，或对于不同生物体，相同的葡萄糖补料可能产生不同的氧需求。
重组表达和质粒维持
重组微生物可能需要额外的氧气用于质粒复制、维持和外源蛋白表达。高表达负担可能增加能量需求，并改变培养物的呼吸行为。
DO 突然耗尽或大幅波动可能引起代谢变化；在含质粒培养物中，还可能导致质粒不稳定。因此，稳定的自动控制对于生物量形成和产品一致性都非常重要。
培养液流变性和细胞密度
随着生物量积累，培养液黏度可能增加。黏度更高的培养液会降低气泡分散效果并增加传质阻力，从而降低有效的氧传递能力。
因此，细胞密度和培养液流变性既会直接影响氧气供应，也会产生间接影响。在低细胞密度下能够充分传递氧气的反应器，在同一批次后期可能会受到氧限制。
氧传递平衡
氧传递速率
反应器必须以满足细胞消耗的速率将氧气从气相传递到液相。简化表达式为：
[ OTR = k_La(C^* - C_L) ]
其中，(k_La) 表示氧传递能力，(C^*) 表示当前气体和压力条件下的饱和浓度，(C_L) 表示实际液相 DO 浓度。
控制系统可以通过搅拌和通气提高 (kLa)，或通过富氧和加压提高 (C^*)，从而增加 OTR。
氧摄取速率
OUR 表示生物对氧气的需求。它会随活性生物量、比呼吸活性以及生长或产品形成所带来的代谢负担而增加。
基本运行要求为：
[ OTR \geq OUR ]
当 OUR 超过 OTR 时，测得的 DO 会下降至其临界水平。如果这种不平衡持续存在，生长速率、活性、生产率或产品质量都可能恶化。
局部氧梯度
令人满意的整体 DO 读数并不能保证整个容器内的氧气供应均匀。即使传感器报告的平均浓度处于可接受水平，混合不良区域仍可能出现氧限制。
这也是中试工厂需要评估搅拌桨位置、气体分布器设计、混合时间、气体分布和搅拌能力，而不能仅依赖 DO 设定点的原因之一。
如何评估氧需求
呼吸商
呼吸商（RQ）是生成二氧化碳与消耗氧气的摩尔比：
[ RQ = \frac{\text{生成的 } CO_2 \text{ 摩尔数}}{\text{消耗的 } O_2 \text{ 摩尔数}} ]
对尾气中的氧气和二氧化碳进行分析，可以揭示代谢状态的变化，并帮助识别由底物过量、氧限制或产物形成变化引起的代谢转变。
RQ 是过程监控指标，不能替代直接 DO 测量。其解释取决于培养物中活跃的代谢途径。
化学需氧量和总需氧量
化学需氧量（COD）和总需氧量（TOD）可以对氧化工艺物流或样品中物质所需的氧气量进行经验性测量。
这些指标可以支持物料衡算和废物处理评估，但并不直接等同于活体培养物的生物氧摄取速率。因此，应将其与生物量测量、尾气分析和反应器氧传递测试结合使用。
氧传递测试
中试工厂通常会在相关的搅拌、气流、压力、温度和培养液黏度条件下表征氧传递性能。所得传递数据可以确定反应器的实际能力。
测试应覆盖预期的最高生物量浓度和补料速率，因为随着培养物变得更密集或更黏稠，氧传递性能通常会下降。
了解各种权衡
过度搅拌
提高搅拌器转速是增加氧传递的快速方式，但会消耗更多能量，并可能损伤对剪切敏感的细胞。它还可能产生需要由冷却系统移除的热量。
因此，尽可能高的搅拌速度并不是普遍适用的目标。目标是在可接受的剪切、能耗和热限制范围内实现足够的氧传递。
过高的气流量
高气流量可以改善氧气供应，但可能产生过多泡沫，并增加气液界面处细胞受损的风险。泡沫控制系统和消泡剂的添加本身也可能影响传质和下游处理。
气流量应与搅拌和气体组成协调控制，而不应被视为无限制的控制变量。
纯氧补充
纯氧能够提供显著的传递能力，尤其适用于高密度培养物。然而，这会增加运行成本，并需要适当的气体处理、控制和安全系统。
应根据既定的级联策略引入富氧，并设置相应限制，以防止控制不稳定或敏感培养物暴露于过高氧浓度。
过度依赖单一 DO 临界值
20% 饱和度这样的 DO 目标值是有用的运行参考，并不是普遍适用的生物学规则。临界氧浓度会因生物体、细胞系、温度、压力、培养基组成和工艺目标而异。
工艺应围绕其实际生长和生产率要求进行表征，而不是直接照搬其他系统的设定点。
根据目标做出正确选择
最可靠的方法是确定整个预期运行范围内的氧需求，并配置级联控制系统，在生物量和黏度增加时保持 OTR 能力。
- 如果您的主要重点是最大化生物量： 将 DO 维持在培养物特定的临界阈值以上，并使用搅拌、通气和富氧措施，防止峰值生长期间出现氧限制。
- 如果您的主要重点是重组蛋白生产： 考虑质粒维持和表达带来的额外呼吸负担，并优先采用稳定的 DO 控制，而不是短期纠偏措施。
- 如果您的主要重点是放大： 将预期 OUR 与实测氧传递能力相匹配，同时考虑培养液流变性、气体分布器设计、压力和混合的影响。
- 如果您的主要重点是过程监控： 将 DO 趋势与尾气中的氧气和二氧化碳测量值、RQ、生物量数据以及底物补料信息结合起来。
- 如果您的主要重点是能源和运行成本： 使用能够使 OTR 始终可靠地高于 OUR 的最低搅拌、气流、压力和富氧设置。
将溶解氧视为生物需求与反应器传递能力之间的动态平衡，中试工厂就能够维持生长、生产率和工艺一致性。
总结表：
| 关键因素 | 在 DO 控制或氧需求中的作用 | 实际考虑事项 |
|---|---|---|
| DO 传感器和设定点 | 测量培养液中的氧气并维持目标浓度 | 根据生物体、细胞系和工艺目标设定临界 DO 水平 |
| 氧传递速率（OTR） | 将氧气从气相输送到液相 | OTR 必须等于或高于 OUR |
| 氧摄取速率（OUR） | 表示生物氧消耗量 | 会随生物量、生长速率、呼吸活性和产品表达而增加 |
| 搅拌 | 改善气泡分散并提高 kLa | 更高的转速会增加能耗，并可能提高剪切应力 |
| 通气和气体分布 | 供应氧气并改善气液接触 | 过高的气流量可能导致起泡、气提和蒸发 |
| 富氧和压力 | 提高氧气溶解度和传递推动力 | 适用于高密度培养物；需要成本和安全控制 |
| 生物量和培养液流变性 | 更高的细胞密度会增加需求和黏度 | 高密度或高黏度培养液可能降低氧传递能力 |
| 代谢状态 | 决定比耗氧量和副产物形成 | 监控生长、底物补料、重组表达和应激 |
| 尾气分析和 RQ | 跟踪氧气消耗和二氧化碳生成 | 结合 DO、生物量、补料和传递测试进行可靠诊断 |
| 放大测试 | 确认实际工艺条件下的氧传递能力 | 测试峰值生物量、补料速率、黏度、搅拌、气流量和压力 |
需要可靠的氧控制来进行放大或生产？联系 LABPARK，讨论根据您的应用定制的教育或职业单元操作中试工厂。LABPARK 为化学工程、生物工艺与生物技术以及环境与水处理应用提供中试工厂。我们的系统帮助大学、研究机构和企业评估 OTR 与 OUR，优化搅拌和通气级联，测试富氧和压力策略，并在真实工艺条件下培训操作人员。与 LABPARK 合作，提升工艺理解，降低放大风险，并为生物量生长、重组生产和氧传递研究建立可靠的平台。
