必须考虑巴斯德效应，因为即使氧气充足，高浓度葡萄糖也可能使酵母产生乙醇。 在使用 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）进行的好氧中试发酵中，这会使碳源从生物量形成转向其他途径，降低细胞产率，并浪费反应器的部分氧传递能力。因此，当实验目标是实现高效的好氧酵母生长而非乙醇生产时，控制葡萄糖浓度至关重要。
仅有好氧条件并不能保证呼吸生长。 如果葡萄糖浓度超过培养物的巴斯德效应阈值，酵母可能会将部分代谢转向乙醇生成；受控补料则可使碳流保持在细胞合成方向。
巴斯德效应为何会改变实验结果
氧气供应无法阻止乙醇生成
按照通常的假设，供应充足的氧气应促使酵母将葡萄糖完全氧化并生成生物量。然而，巴斯德效应使这种关系变得复杂，因为即使通气充分，高浓度葡萄糖也可能触发发酵代谢。
这意味着，仅凭溶解氧测量无法确认培养物是否主要利用葡萄糖进行生长。即使反应器通气良好，在碳源供应过量时仍可能积累乙醇。
碳源从生物量形成中被分流
当酵母在好氧条件下形成乙醇时，部分葡萄糖会被转化为相对还原性的终产物，而不是用于合成新细胞。结果是，每消耗单位葡萄糖所获得的生物量产率降低。
对于以细胞生产为重点的中试装置实验，这会直接降低工艺效率，并可能使操作表现看起来不如其氧传递性能所显示的那么有效。
乙醇可能成为次级胁迫因素
乙醇不仅是不必要的溢流代谢指标。随着乙醇积累，它还可能抑制酵母生长，并给细胞带来额外胁迫。
这会形成复合问题：过量葡萄糖导致乙醇生成，而生成的乙醇又会进一步降低生长性能和最终生物量生产率。
巴斯德效应为何在中试装置中十分重要
中试装置必须再现可控的工艺行为
中试装置用于了解工艺在一定规模下的运行表现，此时混合、补料、通气和散热都会成为操作方面的关注点。如果忽略巴斯德效应，实验测量到的可能是好氧生长与乙醇生产的非预期混合状态。
由此得到的数据可能导致对营养需求、氧需求、生长速率和可实现生物量产率作出错误判断。
补料策略会影响代谢
分批操作可能使培养物暴露于较高的初始葡萄糖浓度。相比之下，补料分批操作允许以受控速率间歇或连续添加葡萄糖。
其目的是将残余葡萄糖浓度保持在能够触发显著好氧发酵的水平以下。因此，补料曲线不仅是延长运行时间的手段，也是代谢控制工具。
放大取决于代谢数据
工业过程需要建立补料速率、氧需求、生物量形成和副产物生成之间的可靠关系。巴斯德效应驱动的乙醇生产会改变所有这些关系。
控制该效应的中试实验能够生成更有用的放大数据，因为这些数据描述的是预期的生长状态，而不是不受控的溢流状态。
操作人员如何控制该效应
将葡萄糖维持在临界范围以下
核心控制目标是避免残余葡萄糖过量。具体阈值取决于生物体、菌株、反应器条件和操作策略，因此应通过实验确定，而不应假定其具有普适性。
同时监测葡萄糖和乙醇，比单独监测任一变量能够提供更强的工艺控制能力。在好氧操作过程中乙醇上升，说明碳源供应可能超过了培养物的呼吸能力，这是一个警示信号。
采用受控补料分批策略
受控补料分批策略以与细胞摄取和生长相匹配的速率供应葡萄糖。这样可以避免葡萄糖出现较大峰值，同时让培养物获得足够的碳源以维持生物量生产。
随着生物量浓度增加，可能需要调整补料速率，因为培养物对底物和氧气的需求会随时间发生变化。
协调碳源供应与氧传递
控制葡萄糖并不能消除对有效通气和混合的需求。工艺必须使碳源可利用性和氧传递能力都处于支持目标代谢的范围内。
如果氧传递受到限制，乙醇可能因高葡萄糖浓度以外的原因而形成。因此，中试研究应结合葡萄糖、溶解氧、搅拌、通气和乙醇数据进行综合分析。
谨慎考虑替代碳源
在某些工艺中，用另一种碳源替代快速代谢的糖类，可以降低溢流代谢倾向。然而，替代碳源仍必须满足所需的生长速率、产率和下游工艺目标。
这是一种工艺设计选择，并不能普遍替代补料控制。
理解其中的权衡
更高的葡萄糖浓度并不总能带来更高的生产率
提高葡萄糖浓度似乎可以增加可用于生长的底物量。然而，超过相关代谢阈值后，葡萄糖可能更多地促进乙醇生成，而不是生物量形成。
实际结果是，与单位葡萄糖所产生的生物量相比，更浓的补料可能产生更少的有用细胞质量。
过于保守的补料同样可能限制生长
过低的补料速率可能抑制乙醇形成，但无法为目标生长速率提供足够的碳源。目标并不是简单地使葡萄糖最少，而是维持受控的葡萄糖水平，以支持高效的生物量合成。
这需要在补料速率、生物量浓度、氧传递能力和目标工艺持续时间之间取得平衡。
好氧目标与生物乙醇目标不同
对于酵母生物量生产而言，好氧条件下的乙醇生成通常意味着碳源损失，也是可避免的抑制因素。对于生物乙醇生产而言，乙醇生成则是预期结果，尽管氧气、温度、pH、底物和产物耐受性仍需控制。
因此，正确的操作策略取决于中试实验是优化细胞质量还是优化乙醇生产。
中试结果可能被误读
如果不测量乙醇，实验可能会错误地将生物量产率下降归因于供氧不足、温度不合适或营养物不足。如果未识别出巴斯德效应，操作人员可能会调整错误的工艺变量。
有意义的中试研究应区分氧限制与葡萄糖触发的溢流代谢。
根据目标作出正确选择
最可靠的方法是围绕预期的代谢状态设计实验，并通过底物和副产物测量对其进行验证。
- 如果主要目标是最大化酵母生物量： 采用受控补料分批方式添加葡萄糖，监测残余葡萄糖和乙醇，并保持足够的氧传递，使碳源用于好氧细胞合成。
- 如果主要目标是了解氧需求： 将葡萄糖维持在巴斯德效应阈值以下，并将溶解氧变化与生物量形成及乙醇积累联系起来分析。
- 如果主要目标是开发可放大的工艺： 利用中试装置在受控条件下建立补料速率、葡萄糖、乙醇、生物量和氧传递之间的关系。
- 如果主要目标是生产生物乙醇： 将乙醇生成视为目标途径，但仍需分别管理底物浓度、温度、pH、氧暴露和产物抑制。
考虑巴斯德效应，可以将酵母好氧发酵从看似简单但容易误导的操作，转变为具有可预测生物量产率和放大行为的可控工艺。
总结表：
| 关键因素 | 对酵母好氧发酵的影响 | 推荐控制措施 |
|---|---|---|
| 高浓度葡萄糖 | 即使氧气充足，也会触发乙醇生成 | 将残余葡萄糖维持在菌株特异性阈值以下 |
| 乙醇积累 | 抑制生长并降低生物量生产率 | 同步监测乙醇和葡萄糖 |
| 补料分批操作 | 防止葡萄糖峰值并支持受控生长 | 使补料速率与生物量和氧需求相匹配 |
| 氧传递 | 决定碳源是否能够支持呼吸生长 | 协调通气、搅拌和补料速率 |
| 中试装置数据 | 影响放大决策和工艺可靠性 | 关联分析葡萄糖、乙醇、生物量和溶解氧 |
| 工艺目标 | 决定乙醇生成是不利结果还是预期结果 | 相应地优化生物量生产或生物乙醇生产 |
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