好氧和厌氧中试生物反应器运行在碳分配和气体传递需求方面均存在差异。在好氧运行中，底物碳的大约50%可能被同化到生物量中，其余部分则被氧化以提供细胞能量，氧充当末端电子受体。在厌氧运行中，少于30%的碳可能转化为生物量，而更大比例的碳则流向还原性发酵产物，不过具体分配取决于生物体、底物和代谢途径。
好氧过程主要受氧传递限制，并且通常有利于生物量形成；厌氧过程排除分子氧，通常会将更多底物碳导向代谢产物。因此，中试规模运行必须从最大化氧传递转向维持可靠的缺氧条件并控制产物形成代谢。
碳如何分配
好氧运行有利于氧化生长
好氧生物利用氧气氧化部分碳底物并产生能量。剩余碳可被同化为新的细胞物质。
根据参考基础得出的总体运行估算，在好氧生长过程中，约一半底物碳进入生物量，另一半则被氧化以提供能量，主要以二氧化碳的形式释放。
实际生物量得率可能因生物体、底物、生长速率、维持需求和氧供应情况而存在显著差异。因此，50%这一数值是有用的概念性基准，而不是普适的工艺常数。
厌氧运行有利于产物形成
厌氧生物在没有分子氧的情况下产生能量，通常通过将电子转移给细胞内部产生的代谢中间体或其他非氧受体来实现。这往往会形成醇类、有机酸、气体或其他还原性产物。
在所述的中试工厂对比中，厌氧条件下少于30%的底物碳转化为生物量。更大比例的碳被导向目标产物及相关副产物。
这并不意味着所有剩余碳都会转化为目标产物。碳还可能分配到二氧化碳、其他产物、残余底物和生物量中。
碳分配是一个工艺变量
碳的分配取决于生物体的代谢途径和所选择的运行条件。pH、温度、底物浓度、进料速率、氧化还原状态和产物抑制都可能改变生长与产物形成之间的平衡。
对于中试运行，操作人员应测量碳的输入和输出，而不是假设固定百分比适用于每一种发酵。
氧需求为何会发生变化
好氧运行需要持续供氧
好氧培养物需要持续供应气态氧，因为溶解氧在水性介质中的溶解度很低。氧气必须从气相传递到液相，然后被细胞消耗。
因此，中试生物反应器必须提供足够的氧传递速率（OTR），以满足培养物的摄氧速率（OUR）。操作人员通常会调节气体流量、富氧程度、搅拌、压力和气体分布器性能，以维持目标溶解氧水平。
厌氧运行需要排除氧气
厌氧培养物不需要氧作为末端电子受体。严格厌氧微生物可能会受到氧暴露的抑制或损伤，因此运行目标是防止氧气进入，并去除残留的溶解氧或顶空氧。
中试系统可采用惰性气体吹扫、密闭容器、无氧进料和受控气体收集。气体系统仍然十分重要，但其用途已从供氧转变为缺氧保护和逸出气体管理。
厌氧并不意味着无需气体控制
厌氧发酵可能产生二氧化碳、氢气、甲烷或挥发性产物，具体取决于工艺。这些气体必须安全地排放、收集、测量或处理。
因此，厌氧反应器虽然对氧传递的要求较低，但仍可能需要精确控制气体压力、流量、组成和停留时间。
底物类型如何影响好氧氧需求
还原性底物需要更多氧气
正构烷烃或甲烷等高度还原性底物，与葡萄糖等部分氧化的底物相比，每单位碳含有更多可利用电子。因此，它们的完全好氧氧化需要更多氧气。
这可能提高培养物的比耗氧量，并增加中试生物反应器所需的kLa和OTR能力。
更高的氧需求可能降低基于氧气的得率
还原性底物每克底物可能具有较高的理论生物量得率，但通常每单位消耗氧气所产生的生物量较少。实际而言，工艺可能拥有充足的碳，却仍受到反应器供氧能力的限制。
这就是为什么必须将底物选择与氧传递设计结合考虑。
氧需求也会产生热量
好氧氧化将电子转移给氧气，并以热量形式释放代谢能。因此，更还原性的底物可能会使单位生物量产生的热负荷更高。
中试设备可能需要更大的换热面积、更高的冷却剂流量或额外的冷却能力，以维持稳定的培养温度。
中试规模设备必须控制哪些因素
好氧设备优先考虑多相传质
好氧中试生物反应器必须管理气-液-固混合、气体分布器性能、气泡分散、搅拌和溶解氧测量。这些因素决定氧气能否足够快速地到达细胞，从而支持预期的生长速率。
一种常见的控制顺序是通过先提高搅拌强度，并在需要时增加气体流量或富氧程度，来维持溶解氧。具体顺序取决于设备限制和工艺目标。
厌氧设备优先保证缺氧完整性
厌氧系统重点关注排氧、可靠密封、惰性气体吹扫以及温度和pH的一致控制。通常采用完全混合式配置，以维持整个容器内条件均一。
当工艺产生可燃、有毒或腐蚀性气体时，气体收集和监测也变得十分重要。
两种配置都需要强有力的基础控制
无论哪种运行模式，都不能免除对温度、pH、混合、进料、取样和压力进行可靠控制的需求。两者的区别在于主导的传递限制因素不同。
好氧运行通常受氧传递和散热能力限制。厌氧运行通常受氧气进入、氧化还原控制、产物积累和气体处理限制。
了解其中的权衡
生物量得率不等同于产物得率
好氧运行可能将更大比例的碳导向生物量，这在目标是细胞生产或生长相关合成时非常有用。然而，高氧供应并不会自动使目标产物达到最大产量。
厌氧运行可能将更多碳导向产物，但产物混合物、较低的生长速率和较低的生理稳定性可能使下游处理更加复杂。
氧限制可能改变预期代谢
无法传递足够氧气的好氧工艺可能发生代谢转变、降低生长速率、增加不需要的副产物或导致结果不一致。如果搅拌、气体分布器能力、压力或冷却能力存在限制，仅增加空气流量可能无法解决问题。
相关设计检查应确认完整的反应器系统能否在维持温度和可接受剪切条件的同时满足峰值OUR。
中试规模下排氧可能较为困难
厌氧运行并不是简单地停止通气即可实现。氧气可能通过进料、密封件、取样口、泄漏点以及吹扫不充分的设备进入系统。
中试方案应明确吹扫条件、氧气监测点、转移程序以及缺氧条件失效时的应对措施。
碳百分比不应被用作设计保证值
约50%的好氧生物量分配和低于30%的厌氧生物量分配有助于解释两者之间的差异，但不能替代实测得率。
设计和放大应采用针对特定生物体的生物量得率、产物得率、摄氧量、二氧化碳释放量、产热量和维持需求数据。
根据目标做出正确选择
应根据所需的碳去向以及中试工厂的控制能力选择运行模式。
- 如果您的主要目标是生物量生产：选择具有足够气体分布、搅拌、溶解氧控制和冷却能力的好氧配置，以支持持续的氧化生长。
- 如果您的主要目标是厌氧产物形成：采用密闭或经过有效吹扫的系统，在排除氧气的同时，对温度、pH、进料和产物气体进行精确控制。
- 如果您的主要目标是使用高度还原性底物：应针对更高的氧需求和代谢产热量，对好氧气体传递系统和冷却系统进行设计。
- 如果您的主要目标是中试规模可比性：对于每次运行，应跟踪碳平衡、生物量得率、产物得率、OUR、气体组成和热负荷，而不是依赖通用的分配百分比。
核心工程决策在于确定工艺需要最大化氧化性生物量形成还是无氧产物形成，然后提供与该目标相匹配的气体传递和控制基础设施。
总结表：
| 方面 | 好氧运行 | 厌氧运行 |
|---|---|---|
| 典型碳分配 | 约50%可能用于生物量；其余大部分被氧化以提供能量 | 少于30%可能转化为生物量；更多碳通常形成产物和副产物 |
| 气体需求 | 持续供氧以满足摄氧速率（OUR） | 通过吹扫、密封和无氧进料排除氧气 |
| 主要设计重点 | 氧传递速率（OTR）、kLa、搅拌、气体分布和冷却 | 缺氧完整性、氧化还原控制、气体收集和安全排放 |
| 常见代谢结果 | 更加侧重氧化生长和生物量形成 | 更加侧重发酵产物、气体和还原性化合物 |
| 主要风险 | 氧限制、不需要的副产物和热量积累 | 氧气进入、产物抑制和气体生成失控 |
| 建议测量项目 | 生物量得率、OUR、OTR、二氧化碳、温度和热负荷 | 碳平衡、产物得率、溶解氧、气体组成和氧气进入情况 |
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