無(wú)論是細(xì)胞呼吸還是能量代謝，溶解氧都扮演著關(guān)鍵角色，為細(xì)胞提供三磷酸腺苷（ATP）。但氧氣在水中的溶解度很低，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、25℃條件下，僅約為0.267 mmol/L。

工業(yè)發(fā)酵中普遍存在混合與傳質(zhì)限制，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)形成復(fù)雜的環(huán)境梯度，微生物在時(shí)空中經(jīng)歷著不均勻的條件。長(zhǎng)期處于低氧環(huán)境的細(xì)胞可能失去生產(chǎn)能力，而過(guò)度曝露于高氧環(huán)境下則會(huì)導(dǎo)致不可逆的損傷。

生物發(fā)酵

01 溶解氧為何重要？

溶解氧是生物發(fā)酵過(guò)程中的生命線，尤其對(duì)于專(zhuān)性好氧微生物而言，氧氣作為最終電子受體，通過(guò)有氧呼吸獲取能量，如枯草芽孢桿菌的發(fā)酵過(guò)程。這些微生物在發(fā)酵中的應(yīng)用非常廣泛，其生長(zhǎng)和代謝高度依賴(lài)充足的溶解氧供應(yīng)。

根據(jù)微生物對(duì)氧的需求差異，可分為專(zhuān)性好氧、兼性好氧、厭氧和專(zhuān)性厭氧四類(lèi)微生物。兼性好氧微生物如酵母菌，則具備兩種呼吸酶系統(tǒng)：有氧條件下進(jìn)行好氧呼吸，繁殖旺盛但產(chǎn)物合成較少；無(wú)氧條件下則轉(zhuǎn)為厭氧呼吸，繁殖較弱但產(chǎn)物合成增加。

溶解氧的充足與否，直接決定著細(xì)胞能否獲取足夠的能量來(lái)進(jìn)行正常的代謝、分裂以及目標(biāo)產(chǎn)物合成。當(dāng)溶解氧濃度發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞會(huì)通過(guò)一系列信號(hào)傳遞機(jī)制調(diào)整基因表達(dá)和代謝流，以適應(yīng)環(huán)境變化。

發(fā)酵車(chē)間

02 溶氧失控的多維機(jī)制

在工業(yè)規(guī)模的發(fā)酵過(guò)程中，溶氧失控往往是多重因素相互作用的結(jié)果。底物和溶氧梯度共同作用于微生物，形成復(fù)雜的異質(zhì)性環(huán)境，對(duì)細(xì)胞代謝產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

具體而言，在生物反應(yīng)器內(nèi)不同位置，微生物會(huì)遭遇截然不同的環(huán)境條件。研究表明，青霉素生產(chǎn)菌株在靠近進(jìn)料口的高葡萄糖、低氧區(qū)域，會(huì)經(jīng)歷呼吸速率降低、三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物外排等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致青霉素生產(chǎn)能力完全喪失。

與之相反，在曝氣口附近的高氧、低底物區(qū)域，微生物需要增加能量消耗以維持生存，雖然不直接導(dǎo)致生產(chǎn)力喪失，但會(huì)引發(fā)細(xì)胞過(guò)早退化。

溶解氧失控的根源還在于其傳遞限制。高密度發(fā)酵體系中，菌體密度持續(xù)攀升會(huì)導(dǎo)致氧氣消耗速率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，而氧氣在水中的溶解度本身就很低，高密度培養(yǎng)液進(jìn)一步降低了氧氣的傳遞效率。

溶解氧

03 梯度環(huán)境下的生理應(yīng)激

微生物在異質(zhì)性環(huán)境中表現(xiàn)出復(fù)雜的生理響應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞暴露于全局性的環(huán)境波動(dòng)（如周期性交替的高糖低氧與高氧低糖條件）時(shí)，它們能夠以周期性方式微調(diào)代謝，但這種適應(yīng)是以生產(chǎn)力為代價(jià)的——研究發(fā)現(xiàn)，這種條件下青霉素的生產(chǎn)力下降了近50%。

底物梯度本身通常不會(huì)造成不可逆效應(yīng)，但大幅度的底物梯度會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)力降低。氧氣梯度的影響更為嚴(yán)重，它不僅減少產(chǎn)物合成，還可能引發(fā)不可逆的細(xì)胞損傷。這種差異突顯了在工業(yè)發(fā)酵中維持穩(wěn)定溶氧環(huán)境的重要性。

溶氧不足會(huì)引發(fā)細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的失衡，影響轉(zhuǎn)錄因子與基因啟動(dòng)子區(qū)域的結(jié)合，從而抑制關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程。與此相反，過(guò)高的溶氧濃度則會(huì)導(dǎo)致大量活性氧的產(chǎn)生，攻擊蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等生物大分子，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能。

發(fā)酵車(chē)間

04 診斷溶氧異常：工程與代謝視角

診斷溶氧問(wèn)題的關(guān)鍵在于區(qū)分限制因素是工程層面的傳質(zhì)問(wèn)題，還是細(xì)胞層面的代謝問(wèn)題。這可以通過(guò)分析溶氧與氧吸收率的相關(guān)性來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)溶氧與氧吸收率的趨勢(shì)呈現(xiàn)相反關(guān)系時(shí)，限制因素往往是細(xì)胞水平的菌體代謝問(wèn)題；若兩者趨勢(shì)具有同一性，則表明限制因素主要為工程水平的氧傳遞問(wèn)題，此時(shí)溶氧很可能處于臨界氧濃度以下。

工程層面的限制主要包括：攪拌效率不足導(dǎo)致的氣液混合不均勻、通氣量不足或分布不均、罐壓控制不當(dāng)以及培養(yǎng)基粘度過(guò)高影響氧氣傳遞等。

代謝層面的限制則包括：菌體生長(zhǎng)速率過(guò)快導(dǎo)致耗氧需求激增、代謝流偏移產(chǎn)生抑制性副產(chǎn)物、以及細(xì)胞對(duì)氧氣的利用效率下降等。

05 精準(zhǔn)調(diào)控的實(shí)踐路徑

實(shí)施溶解氧的精準(zhǔn)調(diào)控需要采取多維策略。參數(shù)優(yōu)化是基礎(chǔ)，包括根據(jù)菌體耗氧速率調(diào)整通氣量、提高攪拌轉(zhuǎn)速以增強(qiáng)氣液混合、維持溶氧在20%-40%飽和度的適宜范圍。

對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行分段控制是高級(jí)策略。例如在菌體快速生長(zhǎng)期維持較高的溶氧水平，而在產(chǎn)物合成階段則適當(dāng)降低溶氧。一項(xiàng)研究顯示，通過(guò)兩階段溶氧控制發(fā)酵工藝，酪胺的產(chǎn)量達(dá)到了21.33 g/L。

補(bǔ)料策略也至關(guān)重要。采用指數(shù)流加葡萄糖等方式，既能防止底物抑制，又能穩(wěn)定耗氧速率。同時(shí)，通過(guò)控制補(bǔ)料速率可以調(diào)節(jié)菌體的比生長(zhǎng)速率，間接控制耗氧需求。

先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)與反饋控制系統(tǒng)基于溶氧電極采集的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整攪拌速度、通氣量和罐壓等參數(shù)，使溶解氧始終維持在設(shè)定的合理范圍內(nèi)。

06 創(chuàng)新控制方法與未來(lái)展望

隨著發(fā)酵工藝和自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，溶解氧調(diào)控正朝著更加精準(zhǔn)和高效的方向演進(jìn)。菌種工程是提升氧耐受性和利用效率的根本途徑之一，如過(guò)表達(dá)血紅蛋白VHb等氧利用相關(guān)基因。

在酪胺發(fā)酵中，研究人員使用厭氧啟動(dòng)子控制ATP再生系統(tǒng)的表達(dá)，以響應(yīng)溶氧變化；同時(shí)修改酪氨酸內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，顯著提高了在限氧條件下的生產(chǎn)效率。

過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)如膜過(guò)濾循環(huán)和固定化細(xì)胞系統(tǒng)，也能改善發(fā)酵體系的氧傳遞和利用效率。這些技術(shù)可以截留菌體并移除抑制性代謝物，或采用海藻酸鈣包埋法提高菌體耐受性和重復(fù)利用次數(shù)。

未來(lái)，隨著代謝通量分析等系統(tǒng)生物學(xué)工具的廣泛應(yīng)用，我們將能夠更精準(zhǔn)地解析溶氧變化對(duì)細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的全局影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)更智能的溶氧控制策略。

在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器中，微生物因混合與傳質(zhì)限制而暴露于不均勻的底物與氧氣環(huán)境中。梯度不僅導(dǎo)致生產(chǎn)力下降，某些區(qū)域細(xì)胞的青霉素生產(chǎn)能力甚至完全喪失，且這種損傷往往是不可逆的。

發(fā)酵罐的攪拌槳持續(xù)旋轉(zhuǎn)，將大氣泡打散成微小氣泡，增加氣液接觸面積。但隨著發(fā)酵液粘度的增加和菌體密度的提高，這一過(guò)程變得越來(lái)越困難。