發(fā)酵罐在酵母生產(chǎn)中的關(guān)鍵作用

如果把酵母看作一條被壓縮的工業(yè)基因鏈，那么發(fā)酵罐就是這條鏈的“解旋酶”。在這里，精確的調(diào)控決定著酵母細(xì)胞生長、代謝與產(chǎn)量。任何一處剪切力、溶氧梯度或混合死角，都會讓鏈斷裂，產(chǎn)品收率也會隨之崩塌。本文我們來看看如何通過可量化的參數(shù)，把“看不見的代謝”變成“看得見的曲線”。

一、酵母細(xì)胞對發(fā)酵罐的依賴
全球每年有超過5000萬的酵母參與的終端產(chǎn)品產(chǎn)品（啤酒、面包、重組蛋白、生物燃料等），發(fā)酵罐已不僅是容器，而是融合基因工程和代謝調(diào)控的精密生態(tài)系統(tǒng)。在這個人造環(huán)境中，酵母細(xì)胞以超越自然千百倍的效率轉(zhuǎn)化物質(zhì)，創(chuàng)造著從食品原料到生物燃料的各類產(chǎn)物。

畢赤酵母（Pichia pastoris）具有外源基因遺傳穩(wěn)定、細(xì)胞生長速率快、產(chǎn)物表達(dá)效率高、不受內(nèi)毒素和噬菌體影響等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)蛋白轉(zhuǎn)錄和翻譯，準(zhǔn)確的完成蛋白加工修飾，所以常用于重組蛋白表達(dá)（如疫苗中的佐劑）。然而，這些應(yīng)用對發(fā)酵罐提出苛刻要求——酵母發(fā)酵依賴恒定的溫度、pH和均勻的營養(yǎng)環(huán)境[1-3]。一個簡陋的培養(yǎng)容器會引發(fā)細(xì)胞生長不均、產(chǎn)物抑制或批次失敗，導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。

與此同時，酵母的應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展到了寵物食品領(lǐng)域，例如從雞骨骼肌細(xì)胞中提取目標(biāo)蛋白基因，將它植入改造后的酵母中。之后這些攜帶動物蛋白基因的微生物被送入密閉發(fā)酵罐，與糖類、鹽分及礦物質(zhì)共同作用。數(shù)天后，純度超98%的動物蛋白粉在罐中誕生，這種方法不僅無需屠宰動物，還能獲得與天然肉類完全相同的蛋白質(zhì)。
雖然不同行業(yè)都需要酵母，但對酵母菌株的生理狀態(tài)和產(chǎn)物目標(biāo)有著截然不同的要求，這直接決定了發(fā)酵罐運(yùn)行參數(shù)的精密度標(biāo)準(zhǔn)。從微小的種子罐到龐大的工業(yè)化生產(chǎn)罐，每一次規(guī)模放大都絕非簡單的體積倍增，需要綜合考慮多種因素進(jìn)行方法學(xué)放大——如容積、傳質(zhì)系數(shù)、單位體積功率消耗、混合時間等[4]。必須確保剪切力、傳質(zhì)速率、溶氧水平等關(guān)鍵參數(shù)的線性放大誤差最小化，配合發(fā)酵基礎(chǔ)條件優(yōu)化和補(bǔ)料策略優(yōu)化，逐步確認(rèn)最佳發(fā)酵工藝參數(shù)，才能維持酵母細(xì)胞的最優(yōu)代謝環(huán)境，保障不同行業(yè)產(chǎn)品的獨(dú)特品質(zhì)與穩(wěn)定產(chǎn)出[5]。因此，發(fā)酵罐對主要發(fā)酵參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，已然成為支撐現(xiàn)代酵母生物制造產(chǎn)業(yè)升級的核心技術(shù)基石。
 

發(fā)酵罐的攪拌系統(tǒng)不是簡單的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，它的作用在于克服流體阻力，將罐內(nèi)的培養(yǎng)液均勻混合，增大分散相的有效接觸面積，降低分散相周圍的液膜阻力以及增大相對速度以提高傳熱速率等，創(chuàng)造出適宜的發(fā)酵微環(huán)境[6]。
酵母細(xì)胞在發(fā)酵液中存在沉降或聚集，都會導(dǎo)致局部營養(yǎng)匱乏、代謝廢物累積及溫度/pH形成梯度，根據(jù)工藝需求選擇合適的槳葉并找到與之對應(yīng)的特定轉(zhuǎn)速使混合效果和產(chǎn)生的剪切力達(dá)到最優(yōu)的平衡[7]。以畢赤酵母生產(chǎn)重組蛋白為例，Rushton型攪拌槳雖產(chǎn)生較高剪切力，但其獨(dú)特的平葉片設(shè)計(jì)能形成上下雙循環(huán)流場，特別適合需氧酵母的培養(yǎng)。而霍爾斯發(fā)酵罐研發(fā)的H-Mix®無封設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)機(jī)械密封的泄漏和染菌風(fēng)險，使攪拌系統(tǒng)在保持高轉(zhuǎn)速下仍維持無菌狀態(tài)。

三、如何征服高粘度體系？
當(dāng)發(fā)酵體系涉及高粘度產(chǎn)物時，混合挑戰(zhàn)陡增。例如利用酵母菌高密度發(fā)酵生產(chǎn)凝膠多糖，隨著其含量不斷增加，罐中發(fā)酵液的表觀粘度持續(xù)升高，氣液傳質(zhì)與物料混合狀況也隨之變差，發(fā)酵后期溶氧濃度快速下降甚至跌至零點(diǎn)，同時 pH 和溫度都出現(xiàn)較大波動，這對于多糖合成過程產(chǎn)生極為不利的影響[8]。
傳統(tǒng)攪拌易形成“洞穴效應(yīng)”——槳葉僅帶動周圍有限流體旋轉(zhuǎn)，罐內(nèi)大部分區(qū)域處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，這不僅造成混合死角，更嚴(yán)重阻礙了溶氧向酵母細(xì)胞的傳遞�；魻査拱l(fā)酵罐會根據(jù)客戶實(shí)際工況，采用不同類型槳葉組合使用，保留渦流攪拌槳葉優(yōu)秀的傳氧效果，又增加混合流類型槳葉，避免細(xì)胞損傷的同時，也能在高粘度料液中擁有較好的混合效果。 

四、溶氧從“夠用”到“剛剛好”
溶解氧（DO）是酵母發(fā)酵的核心命脈：它直接影響酵母的生長速率、酒精產(chǎn)量和代謝。酵母是典型的兼性厭氧微生物，其代謝路徑隨環(huán)境溶氧水平發(fā)生根本性轉(zhuǎn)換：
充足DO條件： 酵母通過高效的有氧呼吸途徑快速增殖，生物量大幅積累，乙醇生成受抑。

低/無DO條件： 酵母啟動厭氧發(fā)酵，犧牲生長效率換取生存，將糖類主要轉(zhuǎn)化為乙醇。
臨界DO波動： 頻繁跨越需氧/厭氧閾值將引發(fā)酵母代謝振蕩，導(dǎo)致副產(chǎn)物（如雜醇、酸類）異常積累，顯著損害終產(chǎn)物風(fēng)味與純凈度。
霍爾斯智能控制系統(tǒng)通過DO電極實(shí)時捕捉溶氧波動，可根據(jù)溶氧設(shè)置數(shù)值自動調(diào)節(jié)通氣量、攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓參數(shù)或者進(jìn)行補(bǔ)料操作，保證酵母細(xì)胞不同生長階段所需的溶氧條件。設(shè)備還配置有順序控制，可以按照自定義時間段自動修改溶氧、溫度、pH等主要參數(shù)或者進(jìn)行自動流加補(bǔ)料實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)條件。

現(xiàn)代酵母發(fā)酵工藝正朝著超高密度和表達(dá)方向發(fā)展，這要求發(fā)酵罐不僅要解決傳質(zhì)傳熱問題，還需整合在線監(jiān)測、智能控制等新技術(shù)。在這個人工構(gòu)造的生態(tài)中，發(fā)酵罐每一次的攪拌軌跡優(yōu)化，每一段氧濃度曲線的調(diào)整都是人類與微生物對話的進(jìn)化，霍爾斯要做的就是用產(chǎn)品讓細(xì)胞只說用戶能聽到的語言，挖掘酵母的生物合成潛力，推動生物工業(yè)向更高效率發(fā)展。
 
參考文獻(xiàn)
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[8]孫京云.凝膠多糖發(fā)酵過程攪拌槳組合模式的優(yōu)化與應(yīng)用[D].華東理工大學(xué),2018.