溶解氧控制通过巴斯德效应调节代谢，即决定细胞主要依赖发酵还是有氧呼吸。 当溶解氧不足时，细胞会增加糖酵解通量以维持 ATP 的产生，但每摩尔葡萄糖产生的 ATP 很少，并会产生更多的发酵副产物。当氧气充足时，细胞将碳源导向三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化，从而产生更多的 ATP，并通常减少对快速糖酵解和发酵的需求。
因此，溶解氧（DO）是一个代谢控制变量，而不仅仅是一个曝气参数。 通过调节氧气的可用性，中试装置可以使细胞在高速、低得率的发酵代谢和较慢、高得率的氧化代谢之间切换，从而影响生物量形成、产物合成、副产物产生和培养寿命。
巴斯德效应如何将氧气与代谢联系起来
氧气改变了细胞的能量策略
在缺氧或厌氧条件下，电子传递链无法通过依赖氧气的呼吸作用高效地重新氧化还原当量。细胞通过增加糖酵解并利用发酵途径来再生 NAD+ 进行补偿，从而使底物水平的磷酸化得以继续。
这种策略支持 ATP 的持续产生，但其得率较低，因为底物的大部分化学能仍保留在有机酸、醇或其他还原型代谢产物等产物中。
有氧呼吸提高 ATP 得率
当溶解氧充足时，丙酮酸可以进入三羧酸循环，产生的还原当量可以进入氧化磷酸化过程。每摩尔葡萄糖产生的 ATP 得率远高于仅通过糖酵解获得的得率。
确切的得率因生物体、底物运输、维护需求和氧化磷酸化的偶联效率而异。教科书中常见的数值（例如真核生物中每个葡萄糖约产生 36 个 ATP）是有用的近似值，而非通用的操作值；原核生物的得率也各不相同，不能用一个固定的数字可靠地表示。
能量状态抑制过度的糖酵解
能量状态较高的细胞具有更高的 ATP/ADP 比率。这种能量状态可以抑制关键的糖酵解控制点，包括在适用该调节机制的生物体中的磷酸果糖激酶，从而降低快速分解葡萄糖的驱动力。
这是巴斯德效应的核心代谢逻辑：由氧气支持的 ATP 产生减少了通过糖酵解快速处理葡萄糖的需求，并能抑制发酵溢流。
中试装置如何利用 DO 影响代谢途径
DO 设定点确立了充氧边界
控制器维持选定的氧浓度或空气饱和度百分比。适当的数值取决于生物体、细胞系、培养基、反应器几何形状、耗氧率和所需的产物分布。
在许多有氧工艺中，在临界氧浓度以下运行会限制生长或生产力。一个常用的实际边界是空气饱和度的 20% 左右，尽管真正的临界值必须通过实验确定，而不是假设。
级联控制改变氧传递能力
中试装置通常通过级联策略控制 DO。来自光学或极谱 DO 传感器的实时反馈会促使控制系统改变搅拌速度、无菌空气流量、入口氧浓度或这些变量的组合。
增加搅拌可分散气泡并增加气液接触，而更高的气流则增加了氧气的供应。如果仅靠空气不足，富氧可以提高氧传递速率，而无需过大的气流。
氧传递必须匹配耗氧量
相关的平衡在于进入发酵液的氧传递速率与细胞耗氧率之间。如果耗氧量超过传递量，DO 就会下降，即使容器持续通入空气，细胞也可能进入缺氧代谢状态。
中试装置之所以有价值，是因为它们允许操作员在改变叶轮转速、曝气、气体组成和发酵液特性的同时，测量或估算这种平衡。这些测试揭示了工艺是否受到气体供应、混合、传质或细胞需求的限制。
代谢转换对工艺性能的意义
较高的 DO 可能有利于生物量形成
充足的氧气通常支持高效的能量产生并能维持有氧生长。更多的碳底物可以被纳入生物量或完全氧化，而不是被分流到还原型发酵产物中。
在高密度或补料分批操作期间，需氧量会急剧上升。如果没有足够的传递能力或补氧措施，DO 可能会降至零，并成为生物量积累的直接限制因素。
较低的 DO 可能有利于发酵产物
受控地降低氧气可用性可以增加糖酵解和发酵通量。当目标产物是有机酸、醇、次级代谢产物或其他与缺氧相关的化合物时，这可能是可取的。
然而，仅仅降低 DO 设定点并不能保证特定的产物分布。途径调节还取决于碳源补料、pH 值、温度、氧化还原平衡、菌株或细胞系特性以及缺氧的持续时间。
适度的充氧可以延长生产寿命
最高的 DO 设定点并不总是最佳的操作条件。对于某些培养物，较低的氧水平可以减少氧化应激或过度生长，同时在更长的时间内保持活力。
这产生了一个工艺权衡：较高的 DO 可能会增加峰值细胞密度，而较低的设定点可能会延长培养物的生产寿命并提高累积产物效价。
氧气影响副产物和氧化还原形成
氧气的可用性影响细胞处理电子的方式以及它们氧化碳底物的彻底程度。在氧化途径和发酵途径之间切换会改变二氧化碳、有机酸、醇和其他胞外代谢产物的浓度。
氧化还原敏感酶和途径也可以直接响应氧气和还原状态。过度的充氧可能会在敏感系统中产生活性氧，因此应将 DO 控制在支持所需代谢且不造成不必要氧化应激的范围内。
测量和控制实际的氧环境
传感器读数需要工艺背景
DO 探头报告的是其测量点的局部氧状况，而不一定是整个容器内的瞬时状况。混合不良、高粘度或探头放置不当可能会导致即使显示的 DO 值看起来可以接受，也存在氧梯度的情况。
发酵液流变学改变氧传递
随着生物量浓度的增加，发酵液可能会变得更粘稠或呈现非牛顿流体特性。这会减少气泡破碎，损害混合，并增加气泡周围的液膜阻力。
因此，一个在运行初期有效传递氧气的反应器在后期可能会受到氧限制。中试规模的研究应评估在整个细胞密度和发酵液粘度范围内的 DO 行为。
呼吸测量提供有用的证据
呼吸商（计算为二氧化碳产生量除以耗氧量）有助于识别细胞代谢的变化。耗氧量、二氧化碳释放量或由此产生的呼吸商的变化可能揭示了向氧限制或改变底物利用方向的转变。
这些测量是对 DO 信号的补充，因为它们描述了细胞反应，而 DO 主要描述的是可用的氧环境。
理解权衡
高 DO 并不自动意味着最优
维持高氧设定点可以支持氧化代谢和生长，但它可能会增加搅拌需求、功耗、泡沫、剪切暴露和氧化应激。它还可能产生高生物量浓度，从而在批次后期加剧需氧量。
最佳设定点是在不造成有害限制的情况下，能够可靠支持预期生长和产物目标的最低氧水平。
低 DO 可能产生隐藏的工艺变异性
氧限制可能是故意的，但不受控制的限制可能会产生不一致的产物质量和不可预测的副产物积累。即使容器的平均 DO 保持在选定阈值以上，也可能发生局部缺氧。
稳健的工艺能够区分有意的代谢转换和意外的传递失败。
DO 控制不能替代碳源补料控制
即使在明显的有氧条件下，过量的底物也可能导致溢流代谢。相反，富氧环境无法纠正受营养失衡、不合适的 pH 值、温度或有毒副产物积累限制的工艺。
因此，DO 应作为综合控制策略的一部分进行优化，而不是被视为孤立的配方变量。
富氧具有运营成本
当空气传递不足时，添加纯氧可以稳定 DO，但它引入了额外的气体处理要求，并可能增加氧化应激或安全隐患。决策应基于需氧量、传递能力、产物敏感性和所需的放大条件。
如何将其应用于您的项目
根据您需要的代谢和生产结果选择 DO 策略：
- 如果您的首要重点是生物量生产： 保持 DO 高于生物体实验确定的临界浓度，并使用级联控制，随着耗氧量的增加来增加搅拌、气流或富氧。
- 如果您的首要重点是发酵产物合成： 使用明确、可重复的氧限制策略，并通过代谢物、氧化还原和呼吸测量来验证所得的产物分布。
- 如果您的首要重点是产物质量和培养寿命： 评估适度的 DO 设定点与高氧条件，比较活力、比生产率、氧化应激指标和累积效价。
- 如果您的首要重点是放大： 在搅拌、气流、气体组成、生物量浓度和发酵液粘度范围内表征氧传递和摄取，而不是仅仅转移 DO 设定点。
有效的 DO 控制将巴斯德效应转化为一种有意的工艺设计工具，使操作员能够将细胞能量代谢与生长、产物形成和培养稳定性的所需平衡相一致。
汇总表：
| 工艺因素 | 较高或充足的 DO | 较低或受限的 DO |
|---|---|---|
| 主要能量途径 | 三羧酸循环和氧化磷酸化 | 糖酵解和发酵 |
| ATP 生成 | 每底物得率较高 | 每底物得率较低 |
| 典型工艺效果 | 支持有氧生长和生物量形成 | 可能促进发酵产物形成 |
| 主要风险 | 氧化应激、泡沫、功率需求 | 副产物积累和工艺变异性 |
| 控制重点 | 搅拌、气流、富氧、混合 | 可重复的限制和代谢监测 |
| 推荐测量 | DO、耗氧量、二氧化碳释放量 | DO、代谢物、氧化还原状态、呼吸商 |
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