生物过程工程中如何定义呼吸商（RQ）？改善生物反应器控制

呼吸商（RQ）是二氧化碳生成量与氧气消耗量的摩尔比： RQ = 生成的 CO2 摩尔数 / 消耗的 O2 摩尔数，在实际操作中通常表示为 RQ = CER / OUR，其中 CER 是二氧化碳释放速率，OUR 是耗氧速率。在生物反应器和生物技术中试工厂中，操作人员通过入口和出口尾气测量值计算 RQ，以跟踪细胞代谢、识别有氧呼吸与发酵途径之间的变化，并支持补料和通气决策。当难以直接、连续测量生物量时，RQ 还可提供一种非侵入式过程信号。

RQ 将尾气数据转化为对培养过程代谢状态的实时观察。 结合气相物料衡算以及生物量或底物化学计量关系，RQ 可帮助操作人员检测代谢变化、估算过程性能，并在不完全依赖破坏性取样的情况下控制中试规模生物反应器。

RQ 的定义与计算方法

基本化学计量定义

RQ 是培养物生成的 CO2 量与消耗的 O2 量之比：

RQ = 生成的 nCO2 / 消耗的 nO2

对于连续过程监测，其等效的速率形式为：

RQ = CER / OUR

其中，CER 是二氧化碳释放速率，OUR 是耗氧速率。当两个速率采用兼容的摩尔单位时，该商为无量纲量。

入口和出口气体为何重要

生物反应器排气不能直接显示细胞生成或消耗了多少气体。操作人员必须比较入口和出口气体的流量与组成，同时考虑氧气消耗和二氧化碳富集。

实际计算通常需要测量：

• 干基入口和出口气体流量
• 入口和出口氧气浓度
• 入口和出口二氧化碳浓度
• 气体温度和压力
• 水分含量或饱和度修正

分析还必须考虑由氧气消耗、二氧化碳生成、水蒸气和气体添加引起的总气体流量变化。为获得可靠结果，气体测量应统一基于干气，并对分析仪延迟和采样管线特性进行修正。

RQ 的生理学含义

RQ 反映培养物如何利用碳源和能量源。RQ 的变化可能表示底物利用、氧气供应、生物量合成或副产物生成发生了改变。

例如，偏离预期有氧生长状态可能表明溢流代谢或发酵。在酵母中，这可能包括乙醇生成；在其他生物中，则可能积累不同的有机酸或还原性代谢物。

因此，RQ 最适合被解读为一种代谢趋势，而不是一个孤立的合格/不合格数值。

RQ 在生物反应器运行中的应用

检测代谢变化

在线 RQ 趋势能够帮助操作人员识别仅通过生物量、pH 或溶解氧测量尚不能发现的变化。持续偏离预期运行范围可能表明底物过量、氧传递受限，或培养物生理状态发生转变。

这对于补料分批过程尤其有用，因为不恰当的补料速率可能导致底物积累和不希望出现的副产物生成。

支持营养补料控制

RQ 可与 CER、OUR、溶解氧及其他过程信号结合，用于调节底物补料。如果 RQ 表明培养物正向不理想的代谢状态转变，控制系统可以减少或调整补料，而不是继续增加碳源供应。

正确的响应取决于生物体、培养基、产品以及经过验证的过程模型。RQ 应用于指导经过实验建立的控制策略，而不应取代具体过程的决策规则。

管理通气与搅拌

RQ 提供了有关二氧化碳生成与氧气需求之间关系的信息。结合氧传递测量结果，它可帮助工程师评估培养物是否接近氧限制，或当前的通气和搅拌策略是否支持目标代谢状态。

中试工厂可以利用这些信息评估气流、搅拌速度、富氧、背压或其他氧传递控制措施的变化。

估算过程速率

尾气数据可用于估算：

• 耗氧速率
• 二氧化碳释放速率
• 呼吸活性
• 生物量生成速率
• 底物消耗量
• 放大过程中的氧气需求

当这些估算结合经过校准的气体分析仪、可靠的流量测量和物料衡算模型时，其可信度最高。

RQ 如何支持化学计量分析

将 RQ 与生物量组成结合

微生物生长通常使用经验性生物量分子式表示，例如：

CH1.8O0.5N0.2

具体分子式会因生物体和生长条件而异。当 RQ 与碳、氢、氧、氮元素衡算结合时，它能够提供有关底物转化、生物量形成、氧气消耗和二氧化碳生成之间关系的信息。

这可以帮助工程师评估生物量得率系数和目标产品生成情况，而无需等待实验室检测的所有结果。

增加独立的过程方程

生物过程化学计量通常包含多个未知速率或系数，包括底物摄取、生物量生成、氧气消耗、二氧化碳释放和产物生成。

测得的 RQ 为 CO2 生成与 O2 消耗之间提供了额外关系。结合元素衡算和适当的生物学假设，这可以使化学计量方程组得以求解，或改善其参数辨识。

验证物料衡算

RQ 还可作为一致性检查。如果测得的气体交换数据与预期的底物消耗、生物量积累或产物生成不一致，这种差异可能揭示：

• 生物量组成假设不正确
• 存在未测量的副产物生成
• 气体流量或分析仪存在误差
• 未充分考虑二氧化碳向液相中的传递
• 模型未表示的代谢变化

RQ 不能证明哪一种解释是正确的，但可以指出需要调查物料衡算的具体环节。

RQ 在中试工厂开发与放大中的应用

测试控制策略

中试规模系统使用 RQ 来测试补料、通气或搅拌策略是否能够维持预期的代谢状态。这使 RQ 在过程开发阶段具有重要价值，因为该阶段的目标是在商业化规模实施之前建立运行关系。

中试工厂可以比较不同补料曲线、氧传递能力、接种条件以及温度或 pH 策略下的 RQ 变化轨迹。

比较不同规模下的运行

RQ 有助于比较实验室、中试和生产生物反应器之间的代谢行为。相似的 RQ 曲线可以支持培养物处于相近代谢条件这一判断，但单凭 RQ 不能证明不同规模之间完全等效。

比较还应包括溶解氧、氧传递能力、混合、热量移除、补料分布、二氧化碳汽提和产品质量。

检测氧传递限制

如果 RQ 发生变化，同时氧气需求上升、溶解氧下降，则可能表明培养物正接近容器的氧传递能力上限。这是中试规模的重要预警，因为随着体积和细胞密度增加，氧传递限制通常会更加明显。

在设备和产品限制允许的情况下，可以通过改变搅拌、气流、富氧、压力或补料速率来应对。

理解其中的权衡

RQ 不是通用的代谢指纹

相同的 RQ 值可能由不同的底物组合、生物量合成和产物形成方式产生。因此，单次测量无法唯一确定其潜在代谢途径。

可靠的解读需要结合底物浓度、溶解氧、CER、OUR、生物量、产品浓度和副产物测量等支持性数据。

尾气测量存在实际误差

RQ 依赖于两个计算量，即 CER 和 OUR。流量测量、分析仪校准、水分修正、气体泄漏、采样延迟或浓度差较小等因素造成的误差，都会传递到最终比值中。

当耗氧量或二氧化碳释放量较小时，这一点尤其重要。仪器验证和适当的信号滤波属于测量方法本身，而不是可有可无的附加步骤。

稳态假设可能失效

简单的顶空衡算最容易在稳态或准稳态条件下解释。在快速补料变化、气流转换、启动、取样或液相中大量积累二氧化碳期间，出口气体可能无法立即反映当前的细胞代谢状态。

在将短时 RQ 峰值视为生物学事件之前，操作人员应考虑气体停留时间以及液-气传质动力学。

高 RQ 或低 RQ 不一定是不良现象

目标 RQ 取决于生物体、碳源、产物途径和过程目标。在生物量生产过程中，RQ 变化可能是不希望出现的；而在产品形成过程中，这种变化可能是预期的或有意设计的。

因此，控制限值应来源于针对特定生物体的开发数据和经过验证的过程知识。

根据目标做出正确选择

只有将 RQ 视为综合监测与控制系统中的一个要素时，它才能发挥最大作用。

• 如果您的主要关注点是代谢监测： 将 RQ 与 CER、OUR、溶解氧和底物数据结合跟踪，以便尽早检测培养物生理状态的变化。
• 如果您的主要关注点是补料优化： 使用经过验证的 RQ 趋势调整底物供给，降低底物抑制或不希望出现的副产物生成风险。
• 如果您的主要关注点是化学计量分析： 将 RQ 与元素衡算、经验性生物量组成和产品测量结合，用于估算转化率和得率参数。
• 如果您的主要关注点是中试规模放大： 使用 RQ 比较不同容器中的代谢行为，同时评估氧传递、混合、气体停留时间和热量移除。
• 如果您的主要关注点是过程控制： 定义针对具体生物体和过程的 RQ 运行窗口，然后在部署前验证自动补料或通气调节的响应。

经过正确测量和谨慎解读的 RQ，可以将生物反应器尾气数据转化为有关代谢、过程性能和放大行为的可执行证据。

总结表：

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