好氧培养有利于酵母生物量的积累，而厌氧培养则有利于乙醇等还原性代谢产物的生成。在充足的氧气传递条件下，酵母可以利用线粒体呼吸从每个葡萄糖分子中提取更多的能量，从而支持细胞分裂和生物量积累。当氧气缺失或被有意限制时，糖酵解提供 ATP，并通过将丙酮酸转化为乙醇和二氧化碳等产物来再生 NAD⁺。在中试反应器中，溶解氧、气体传递、糖浓度和补料策略决定了哪种结果占主导地位。
核心区别在于碳和能量的分配：好氧代谢将更多的底物导向细胞物质和生长，而厌氧代谢则将更多的底物导向发酵产物。因此，反应器控制必须与预期的产品相匹配，而不是简单地最大化氧气或糖的供应。
酵母代谢如何变化
好氧代谢支持生物量形成
在好氧条件下，丙酮酸可以进入三羧酸循环和线粒体电子传递链。氧化磷酸化产生的 ATP 比单纯的糖酵解多得多，为生物合成、物质运输、细胞维持和细胞分裂提供了能量。
这种更高的能量产率通常支持快速生长和高生物量生产率，这就是为什么强通气酵母工艺被用于面包酵母生产等应用的原因。
好氧代谢还能将更多的碳完全氧化为二氧化碳和水。因此，更大比例的底物可以被引导至细胞成分，而不是分泌的发酵产物。
厌氧代谢有利于代谢产物积累
在没有可用氧气的情况下，酵母主要依赖 Embden–Meyerhof–Parnas 糖酵解途径。糖酵解每消耗一个葡萄糖分子，净产生两个 ATP 分子，并将 NAD⁺ 还原为 NADH。
发酵是再生 NAD⁺ 的必要过程，以便糖酵解能够继续进行。在酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 中，丙酮酸主要通过乙醛转化为乙醇和二氧化碳。
较低的 ATP 产率限制了生物合成能量，通常会降低净生物量的形成。然而，碳被重新导向细胞外代谢产物，使得厌氧或限氧操作适用于乙醇和饮料发酵试验。
氧气可用性并非唯一的代谢开关
“氧气产生生物量，无氧产生乙醇”这一简化规则虽然有用，但并不完整。酵母的生理特性还会对葡萄糖浓度、菌株特性、营养平衡、温度、pH 值和培养历史做出反应。
即使在有氧存在的情况下，一些酵母菌株也会发酵大量的葡萄糖，特别是在高糖浓度下。这种通常与酿酒酵母的 Crabtree 效应相关的行为意味着，仅靠高溶解氧并不能保证纯粹的呼吸生长。
决定结果的操作因素
溶解氧必须测量，不能假设
中试反应器应使用校准过的探头连续监测溶解氧。测量值反映了培养物的耗氧量与气相氧传递之间的平衡。
低或下降的溶解氧信号表明细胞耗氧量正在接近或超过传递能力。即使在通气的情况下，这也可能使代谢转向限氧或发酵行为。
氧传递不仅仅取决于气流
通气速率、搅拌、容器几何形状、叶轮设计、压力、温度和发酵液性质都会影响体积氧传递系数，通常表示为 kLa。增加气流可以改善氧气输送，但前提是反应器能够有效地分散气体。
搅拌通常能改善气体分散和混合。它也会增加功耗并可能提高剪切力，因此操作点必须在不施加不必要机械应力的前提下提供足够的传递。
补料策略控制碳通量
即使在好氧条件下，过量的葡萄糖也会驱动易感酵母菌株进行发酵。这就是补料分批发酵通常是生物量生产首选方法的主要原因：补料可以维持受控的底物浓度，并避免局部或整体糖分过高。
对于代谢产物生产，较高的糖供应可能支持产物形成，但也可能增加渗透压、残余底物、热量产生和下游分离要求。因此，补料曲线应根据所需产品进行选择，而不应将其视为简单的生产率最大化手段。
气体喷吹具有多种功能
喷吹在好氧培养期间提供氧气，并去除由呼吸或发酵产生的二氧化碳。气流还会影响混合、泡沫、蒸发以及反应器顶部空间的成分。
对于厌氧操作，系统必须防止意外的氧气进入。这可能需要脱氧培养基或气体、受控的气体处理、密封设备，并验证氧气不会通过泄漏、采样系统或控制不当的添加物进入。
控制回路必须遵循预期的代谢状态
好氧生物量工艺通常通过级联搅拌、气流、富氧或压力来控制溶解氧。级联的设计应确保在生长加速期间，耗氧量不会在无意中超过传递能力。
厌氧代谢产物工艺则优先考虑隔绝氧气，同时控制 pH 值、温度、底物可用性和气体去除。二氧化碳的积累和压力也必须加以管理，因为它们会影响传质、培养生理和设备运行。
中试反应器必须验证的内容
生物量工艺需要氧传递能力
旨在进行好氧生物量生成的反应器必须证明，它能够在目标细胞密度和补料速率下维持所需的溶解氧水平。随着生物量浓度和代谢活性的增加，耗氧量会上升。
因此，如果中试反应器不能在更大规模下重现其氧传递条件，那么小规模的成功运行是不够的。放大过程应比较氧传递能力、功率输入、混合时间和气流行为等变量。
代谢产物工艺需要可重复的厌氧性
对于厌氧生产，关键的验证不仅仅是反应器已停止通气。它必须证明氧气的进入受到控制，并且培养物在补料、采样、转移和收获过程中始终保持在预期的氧化还原状态。
产品浓度、残糖、二氧化碳释放量和生物量应一起进行趋势分析。这种组合有助于将真正的代谢产物生产与暂时的氧限制或意外的培养性能下降区分开来。
在线测量应与离线结果相关联
溶解氧、pH 值、温度、搅拌、气流、压力和尾气信号提供了操作证据。它们应与离线测量值（如干细胞重量、底物浓度、乙醇或其他代谢产物浓度以及产率）相关联。
这可以防止操作员将单一的溶解氧值视为代谢的完整描述。稳定的 DO 读数可能与过量的糖、营养限制或菌株特有的发酵行为并存。
理解权衡
最大生物量与最大产物是不同的目标
好氧呼吸通常支持生物量积累，但它会消耗氧传递能力，并可能增加冷却和搅拌需求。它还可能降低作为所需还原性代谢产物回收的碳比例。
厌氧发酵可以简化氧气管理并有利于乙醇或其他还原性产物，但它通常为生长提供的能量较少。缓慢的生物量形成、较低的细胞活力和不完全的底物利用可能成为重要的制约因素。
氧气越多并不总是越好
过度的通气或富氧会增加运营成本、泡沫、蒸发和氧化应激。它也可能使代谢偏离工艺所需的产品曲线。
正确的目标是充足且受控的氧传递，而不是尽可能高的气流或溶解氧值。
氧限制不等同于严格的厌氧
当耗氧量超过传递能力但仍接收到少量氧气时，培养物可能会经历氧限制。这种中间状态可能产生混合的呼吸和发酵代谢。
这种区别在操作上很重要。设计用于严格厌氧乙醇生产的工艺比仅允许部分氧限制的工艺需要更严格的氧气隔绝。
ATP 数据很有用，但不应视为固定产率
糖酵解每消耗一个葡萄糖分子净产生两个 ATP 分子。呼吸产生的 ATP 要多得多，但确切的产率因生物体、底物运输、线粒体偶联、维持需求和工艺条件而异。
因此，诸如每个葡萄糖约 36 个 ATP 之类的引用值应被视为理论或条件相关的估计值，而不是保证的反应器产率。实际的生物量和产物产率取决于碳分配、维持需求、营养物质和菌株生理特性。
如何将其应用于您的中试工艺
最佳操作策略始于明确反应器的目的是最大化细胞质量、代谢产物浓度、产率还是体积生产率。
- 如果您的主要重点是好氧生物量生成：通过经过验证的气体传递和搅拌能力维持充足的溶解氧，并控制葡萄糖补料，以防止过量的糖引发不必要的发酵。
- 如果您的主要重点是厌氧代谢产物生产：有意隔绝氧气，提供充足的可发酵底物，并监测产物、残糖、尾气和生物量，而不是仅依赖通气状态。
- 如果您的主要重点是放大可靠性：在不同规模之间匹配氧传递能力、混合行为、除热和控制回路性能，而不是仅仅匹配容器体积。
- 如果您的主要重点是工艺诊断：将溶解氧和尾气趋势与生物量和代谢产物分析相结合，以识别呼吸、限氧或发酵状态。
当反应器控制、底物供应和代谢目标保持一致时，中试培养就成为引导酵母生成生物量或有价值代谢产物的可靠方式。
总结表：
| 工艺目标 | 主导代谢 | 关键反应器控制 | 关键测量指标 |
|---|---|---|---|
| 好氧生物量生成 | 呼吸支持 ATP 产生、细胞分裂和生物量积累 | 溶解氧、搅拌、通气、富氧、受控葡萄糖补料 | 生物量、DO、底物、尾气、氧传递能力 |
| 厌氧代谢产物生产 | 发酵将葡萄糖转化为乙醇、二氧化碳或其他还原性代谢产物 | 氧气隔绝、底物可用性、pH 值、温度、气体去除 | 产物浓度、残糖、CO2、生物量、氧化还原状态 |
| 限氧培养 | 混合呼吸和发酵代谢 | 已验证的 kLa、气流、混合、补料速率、DO 控制 | DO 趋势、尾气、代谢产物曲线、生物量、产率 |
| 放大验证 | 不同反应器尺寸下的可重复代谢性能 | 混合时间、功率输入、除热、氧传递、控制回路响应 | kLa、生产率、产率、温度、压力、工艺一致性 |
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