厌氧发酵产生的 ATP 较少，但将碳集中在还原性最终产物中；而好氧呼吸产生的 ATP 多得多，通常将更多的底物导向生物量和完全氧化。在这两种情况下，糖酵解都将一摩尔葡萄糖转化为两摩尔丙酮酸，净产出 2 个 ATP 和 2 个 NADH。在没有充足氧气的情况下，细胞必须通过发酵再生 NAD⁺；而在有氧情况下，丙酮酸通过三羧酸循环（TCA）和电子传递链进一步氧化，产生显著更多的 ATP，并主要生成 CO₂ 和 H₂O。
操作选择是代谢层面的，而不仅仅是机械层面的：溶解氧、曝气和混合决定了底物碳是主要通过呼吸作用转化为 生物量和 CO₂，还是通过发酵转化为 目标代谢产物（如乙醇、乳酸、丙酮或丁醇）。
代谢途径如何产生不同的产率
厌氧糖酵解提供有限的能量回报
在厌氧条件下，葡萄糖通过 Embden–Meyerhof–Parnas 途径（通常称为 EMP 糖酵解）进行处理。一摩尔葡萄糖产生两摩尔丙酮酸、净 2 摩尔 ATP 和 2 摩尔 NADH。
由于电子传递链无法以通常的氧依赖方式接受电子，NADH 必须通过下游产物形成反应重新氧化为 NAD⁺。这使得糖酵解能够持续进行，但限制了细胞生长可利用的能量。
发酵保持氧化还原平衡
丙酮酸被转化为消耗还原当量并再生 NAD⁺ 的产物。根据生物体和工艺条件的不同，这些产物可能包括 乳酸、乙醇、丙酮、丁醇或其他有机酸。
这些反应的核心目的是氧化还原平衡，而非额外的 ATP 生成。因此，与好氧呼吸相比，发酵通常每单位底物产生的生物量产率较低。
好氧呼吸提取更多能量
在好氧条件下，丙酮酸转化为乙酰辅酶 A 并进入 三羧酸循环。由此产生的还原当量供应给电子传递链，通过氧化磷酸化生成额外的 ATP。
经典的生化核算通常指出，真核系统中每摩尔葡萄糖最多可产生约 36 个 ATP，尽管实际值会因生物体、运输成本、维护需求以及计算 ATP 产率所采用的惯例而有所不同。在原核生物中，ATP 产率取决于生物体的呼吸链及其有效的 P/O 比，而非单一的通用值。
中试操作中最终产物的差异
发酵倾向于积累代谢产物
厌氧操作通常将更大比例的底物碳导向 分泌或积累的产物。例如，酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 在厌氧条件下将糖转化为 乙醇和二氧化碳，这支持了饮料和生物乙醇的中试试验。
其他生物体可能产生乳酸、丁醇、丙酮或有机酸。所选产物取决于菌株生理特性、底物、pH 值、温度、营养平衡以及氧限制程度。
呼吸作用倾向于生物量和氧化产物
好氧呼吸通常将更多的底物导向 细胞生物量，因为更高的 ATP 产率支持生物合成和细胞分裂。完全氧化的主要无机最终产物是 二氧化碳和水。
这使得当期望输出为生物量（如面包酵母或微生物生产平台）时，好氧操作非常有用。它也可以支持生长过程中形成的产物，尽管产物形成并不会仅仅通过提供更多氧气而自动最大化。
产物类别影响操作策略
生物工艺产物可以根据其与生长和能量代谢的关系进行分组：
- 初级代谢产物 在生长和能量代谢过程中直接形成，如乙醇。
- 生长偶联或间接偶联产物 通过能量代谢及相关途径产生，如在合适条件下的柠檬酸。
- 次级代谢产物 通常与生长弱偶联或不偶联，如青霉素。
- 生物转化产物 由添加底物的一步或多步酶促转化产生，如类固醇羟基化。
这种分类很重要，因为仅靠氧气控制无法决定最终的产物分布。还必须考虑生物体的调控网络和生产时机。
在中试工厂中“产率”的含义
ATP 产率和产物产率是不同的衡量标准
高 ATP 产率并不一定意味着高产物产率。好氧呼吸每摩尔葡萄糖产生的能量更多，但这些能量可能被用于形成生物量、维持细胞或将底物氧化为 CO₂，而不是生产目标代谢产物。
厌氧发酵产生的 ATP 较少，但它可能提供更高的目标还原产物的浓度或回收率，因为碳被从广泛的氧化过程中分流出来。
理论产率定义了上限
理论产物产率（通常表示为 (Y_{P/S})）假设底物转化为产物的化学计量是明确的。在理想情况下，几乎所有可用的底物碳都被分配给目标产物，分配给生物量的碳可忽略不计。
该假设对于基准测试很有用，但它并不能预测常规的中试性能。实际系统需要碳用于生物量合成、维持能量、副产物、溶解气体和竞争性代谢途径。
实际产率揭示了工艺损失
中试工厂允许操作员随时间测量底物消耗、生物量积累、产物形成、气体交换和氧传递。这些测量揭示了理论产率与实际产率之间的差距。
例如，发酵过程可能迅速消耗葡萄糖，但产生的乙醇少于化学计量最大值，因为碳被分流到了生物量、甘油、有机酸、维护或其他产物中。好氧培养可能显示出强劲的生物量形成，而目标产物却保持在低水平，因为该途径仅在特定条件下才与生长相关。
操作员如何引导代谢
溶解氧是主要的控制变量
溶解氧 (DO) 是选择呼吸代谢还是发酵代谢最重要的信号之一。曝气和气体喷射增加了氧气的可用性，而高细胞密度、混合不良或过量的底物进料可能会造成氧限制。
相关的操作条件不仅仅是是否供应空气，而是 氧传递速率 是否在整个容器中满足了培养物的耗氧速率。
好氧操作需要传递能力
中试生物反应器必须通过喷射、搅拌、压力和混合提供足够的气液传质。DO 探头帮助操作员检测随着生物量浓度和需氧量的变化，培养物是否获得了足够的氧气。
对于酵母生产，维持适当的好氧条件支持呼吸代谢、快速分裂和生物量积累。如果氧传递变得不足，即使空气继续进入容器，酵母也可能将碳导向发酵产物。
厌氧操作需要排氧和氧化还原控制
厌氧发酵需要可靠的氧限制或排氧，具体取决于生物体和工艺。操作员可以使用脱氧培养基、惰性气体喷射、受控的顶部空间条件和 DO 监测来维持预期的状态。
目标不仅仅是去除氧气，而是维持能够持续偏向目标产物而非不必要副产物的氧化还原和环境条件。
补料可以改变途径
底物浓度和补料速率会强烈影响代谢。快速的碳源补料可能会超过呼吸能力，即使在充气培养中也会导致溢流代谢或发酵代谢。
因此，中试工艺通常协调 补料速率、搅拌、曝气和 DO 控制。稳定的代谢状态比不能反映培养物实际需氧量的名义设定点更有价值。
理解权衡
更多的 ATP 可能意味着更少的目标代谢产物
好氧呼吸在能量上是高效的，但额外的 ATP 通常支持细胞生长和维护。如果工艺目标是分泌型发酵产物，过量的氧气可能会增加生物量，同时减少转化为该产物的底物比例。
因此，正确的选择取决于产物是 生物量、生长相关代谢产物、次级代谢产物还是生物转化产物。
发酵会增加副产物
厌氧途径可能会改善所需还原产物的形成，但它们也可能产生不需要的酸、醇或其他溢流代谢产物。这些化合物可能会抑制生长、使下游纯化复杂化或降低最终产物质量。
因此，工艺控制必须平衡产物形成与毒性、pH 值漂移、渗透压和底物消耗之间的关系。
理论化学计量可能会产生误导
理论最大产率是宝贵的参考点，但将其视为预期的操作结果是一个常见的错误。它们通常忽略了生物量形成、维护、不完全转化、产物降解和竞争途径。
中试数据应被用于建立真实的质量平衡，并确定在实际操作条件下哪些损失机制占主导地位。
氧气转换可能不稳定
在好氧和厌氧条件之间切换可能会产生瞬时代谢产物并改变生长速率。当目标产物依赖于特定的代谢转换时，通常需要逐渐的氧限制、受控补料和充分的工艺监测。
在混合不良的中试容器的不同区域，培养物也可能经历不同的氧气条件。即使平均 DO 读数看起来可以接受，局部梯度也可能导致不一致的产物分布。
为您的目标做出正确的选择
最佳操作方案取决于预期的输出和生物体的生理特性。
- 如果您的主要重点是生物量积累： 保持好氧条件，并具有足够的氧传递、混合和营养供应，以支持氧化呼吸和细胞分裂。
- 如果您的主要重点是乙醇或其他还原型发酵产物： 根据生物体的要求限制或排除氧气，并控制底物补料，使碳被导向目标途径。
- 如果您的主要重点是单位底物的产物产率： 将测得的 (Y_{P/S}) 与理论化学计量极限进行比较，同时考虑生物量、维护和副产物的形成。
- 如果您的主要重点是工艺一致性： 同时监测 DO、耗氧量、二氧化碳排放量、底物浓度、生物量、pH 值和产物浓度，而不是依赖单一的控制变量。
- 如果您的主要重点是次级代谢产物或生物转化： 优化生物体特定的生产阶段和途径调控，而不是假设最大氧气量或完全厌氧是最佳的。
理解 ATP 生成、氧化还原平衡、氧传递和碳分配之间的关系，使中试工厂操作员能够选择符合实际产物目标的操作条件。
总结表：
| 方面 | 厌氧发酵 | 好氧呼吸 |
|---|---|---|
| ATP 产率 | 低；通常每摩尔葡萄糖 2 个 ATP | 通过 TCA 循环和氧化磷酸化高得多 |
| 主要碳产物 | 乙醇、乳酸、丙酮、丁醇和有机酸 | 主要是生物量、二氧化碳和水 |
| NAD+ 再生 | 通过产物形成发酵反应 | 通过电子传递链 |
| 典型工艺目标 | 目标代谢产物生产 | 生物量生长和底物完全氧化 |
| 关键控制变量 | 氧排除或限制、氧化还原平衡、补料速率、pH | DO、氧传递速率、曝气、搅拌、混合和补料速率 |
| 主要产率考量 | 目标产物潜力高，但副产物多且有抑制风险 | 能量效率更高，但更多的碳可能被导向生物量和维护 |
| 中试工厂测量 | 底物、产物、生物量、pH、气体交换和 DO | DO、耗氧量、二氧化碳排放、底物、生物量和产物浓度 |
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