高气体通气速率会通过移除溶解二氧化碳（CO2）的速度超过培养物补充速度，从而减缓微生物生长。 在中试发酵初期，较低的细胞密度意味着细胞内产生的CO2有限。如果通气将培养基中的溶解CO2吹脱，异养CO2固定反应可能无法提供足够的碳来补充生物合成过程中消耗的三羧酸循环（TCA循环）中间产物，从而使回补碳固定成为限制生长的步骤。
目标不仅仅是最大化通气量。 通气必须在提供充足氧气传递的同时，保留足够的溶解CO2，或通过人为补充，以支持放大过程中的碳固定和健康的生物量积累。
为什么二氧化碳的可用性在发酵早期至关重要
低细胞密度造成CO2供应失衡
在接种和发酵早期，微生物群体通过呼吸产生的CO2相对较少。因此，培养体系内积累的CO2有限。
高气体流量移除液相中溶解CO2的速度可能超过细胞产生CO2的速度。即使主要碳底物过量存在，这也会造成碳可用性问题。
异养固定补充TCA循环中间产物
微生物在合成氨基酸和其他细胞成分时会消耗TCA循环中间产物。异养CO2固定可以补充这些中间产物，这一过程被称为回补作用（Anaplerosis）。
诸如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶和丙酮酸羧化酶等酶将CO2整合到代谢中间产物中，有助于维持TCA循环的运行。
CO2限制可能成为生长限制因素
当溶解CO2过低时，异养固定速率可能无法跟上生物合成对TCA循环中间产物的消耗速率。结果是代谢灵活性降低，生物量形成变慢。
在实际操作中，培养物在接种物扩增阶段可能会表现出延长的停滞期或低于预期的生长速率。
过度通气如何影响生物反应器
气液平衡倾向于CO2移除
通气不断更新气液界面并促进传质。如果输入的气体中几乎不含或完全不含CO2，高流量会增加移除溶解CO2的驱动力。
当培养物产生的CO2仍然较低时，这种影响尤为重要。在发酵后期，较高的细胞密度和呼吸作用可能会提供更大的内部CO2供应，但这并不能消除监测平衡的必要性。
氧气传递与CO2保留是耦合的
增加通气通常能改善氧气传递，并有助于维持所需的溶解氧浓度。然而，氧气在水性介质中的溶解度较低，因此充足的氧气输送可能需要大量的气液传质。
操作上的挑战在于，支持氧气传递的相同气体流量也可能吹脱CO2。因此，中试规模的优化需要平衡氧气传递、CO2保留以及培养物的代谢需求。
这种影响在放大和启动阶段最为强烈
启动和接种物放大是脆弱时期，因为此时培养物生物量低，呼吸产生的CO2有限。因此，直接从高密度生产阶段照搬的通气策略对于早期阶段来说可能过量。
这可能导致在氧气传递或底物可用性成为限制因素之前，CO2固定就已成为限制生长速率的因素。
操作人员可以进行的调整
调节通气速率
使用能维持所需氧气传递性能和溶解氧设定点的最低气体流量。这可以减少不必要的CO2吹脱，同时保持好氧条件。
合适的速率取决于反应器几何结构、搅拌、气体成分、压力、粘度和培养物的需氧量。它应根据工艺数据确定，而不是根据跨规模应用的固定规则。
战略性地使用顶部空间压力
增加顶部空间压力可以提高气体溶解度并改变气液传质。这可能有助于保留溶解气体，尽管必须结合设备限制和生物体的耐压性来评估其影响。
压力是一个工艺变量，而不是控制气体流量的通用替代方案。
考虑受控的CO2补充
当无法在不影响氧气传递的情况下降低通气量时，向进气或顶部空间添加CO2可以恢复溶解CO2。这种方法应谨慎控制，因为过量的CO2会改变pH值并施加额外的代谢压力。
当辅以pH值、溶解气体、生长速率和尾气行为的测量时，CO2补充最为有效。
将氧气输送与不必要的气体流量分开
搅拌、富氧、气体成分和压力都会影响氧气传递。综合评估这些变量，可能使工艺在不完全依赖极高总通气速率的情况下满足氧气需求。
目标是在避免可避免的CO2赤字的同时，维持充足的kLa和溶解氧。
理解权衡
较低的通气量可能造成氧气限制
过于激进地减少气体流量会降低氧气传递。在高细胞密度下，呼吸作用增加可能导致溶解氧耗尽，以及颗粒内部或混合不良区域出现扩散限制。
正确的应对措施不是盲目最小化通气，而是确定在不造成过度CO2移除的情况下，氧气传递达到充足的临界点。
CO2补充可能影响pH值
溶解的CO2参与碳酸盐平衡，并可能影响培养物的pH值。因此，在没有协调pH控制的情况下添加CO2可能会产生意想不到的pH波动。
任何补充策略都应评估其对碳固定的益处及其酸碱效应。
高气体流量不是生长缓慢的唯一原因
延长的停滞期也可能源于接种物质量、温度、pH值、底物失衡、混合不良或氧气限制。CO2吹脱应被视为一个可测试的工艺假设，而不是被假定为唯一的解释。
比较不同通气速率或进气CO2浓度下的生长情况，有助于将CO2相关的限制与其他放大效应区分开来。
整体测量可能遗漏局部限制
溶解CO2的测量代表的是整体液体，可能无法捕捉瞬态或空间局部的条件。混合时间、气体分布、颗粒形成和探头响应都会影响培养物的实际体验。
因此，应将生长速率和尾气成分的趋势与溶解气体和pH数据结合起来解释。
为您的目标做出正确的选择
实用的控制策略应考虑培养物的生长阶段以及对氧气传递的竞争性需求。
- 如果您的主要重点是快速接种物扩增： 使用适度且经过验证的通气速率，并保留足够的溶解CO2，以支持低密度生长期间TCA循环的回补补充。
- 如果您的主要重点是氧气传递： 在仅依赖更高的总气体流量之前，先优化搅拌、压力、气体成分和富氧。
- 如果您的主要重点是诊断延长的停滞期： 在监测溶解氧和pH值的同时，比较不同通气速率或受控CO2补充下的生长和代谢数据。
- 如果您的主要重点是生产阶段的稳健性： 建立独立的启动和高密度通气策略，因为CO2产生和需氧量在发酵过程中会发生显著变化。
通过将通气视为氧气输送与CO2可用性之间的平衡，中试工厂团队可以减少微生物放大过程中可避免的生长限制。
总结表：
| 因素 | 对培养物的影响 | 实际应对措施 |
|---|---|---|
| 高通气速率 | 吹脱溶解CO2，尤其在低细胞密度时 | 使用满足氧气需求的最低验证流量 |
| 低溶解CO2 | 限制TCA循环中间产物的回补补充 | 监测溶解气体、生长速率和尾气数据 |
| 降低通气量 | 可能降低氧气传递并增加DO限制 | 优化搅拌、压力、气体成分或富氧 |
| CO2补充 | 恢复碳可用性，但可能影响pH值 | 控制进气CO2并与pH管理协调 |
| 发酵放大 | 启动和生产阶段对CO2和O2的需求不同 | 按生长阶段建立独立的通气策略 |
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