在高密度发酵领域，溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）堪称影响菌体生长与代谢的核心要素之一。随着发酵过程中菌体密度持续攀升，氧气的消耗速率呈指数级增长。一旦溶解氧供应不足，将直接制约菌体的生长进程，对外源蛋白的表达也会产生显著的抑制作用。所以，实现溶解氧水平的精准调控，无疑是确保高密度发酵取得成功的关键所在。
溶解氧的重要性
溶解氧是大肠杆菌进行有氧代谢的必需条件，其作用包括：
- 支持菌体生长：氧气是细胞呼吸链的最终电子受体，参与能量（ATP）的生成。
- 促进产物合成：众多外源蛋白的合成过程对氧气供应有着严格要求。
- 维持代谢平衡：缺氧会导致代谢途径改变，增加副产物（如乙酸）的生成。
溶解氧调控的挑战
在高密度发酵体系中，溶解氧的有效调控面临着诸多棘手难题：
- 氧气需求激增：随着菌体密度的增加，耗氧速率呈指数上升。
- 氧气传递限制：氧气本身在水中的溶解度相对较低，而在高密度培养液中，由于培养基成分复杂、菌体浓度高，氧气的传递效率进一步下降。
- 动态变化：溶解氧水平受到搅拌速度、通气量、罐压等多种因素的综合影响。这些因素之间相互关联、相互制约，且在发酵过程中处于动态变化状态。
溶解氧精准调控的关键策略
1. 优化供氧条件
- 搅拌速度：适当提高搅拌速度可以增加氧气的传递效率，但过高的搅拌速度可能导致剪切力损伤菌体。
- 通气量：增加通气量可以提高氧气供应，但过高的通气量可能导致泡沫增多和能量浪费。
- 罐压控制：适当提高罐压可以增加氧气的溶解度，但需注意对菌体生长的影响。
2. 在线监测与反馈控制
- 溶氧电极：借助高精度的溶氧电极，能够实时、准确地监测发酵过程中溶解氧的水平变化。
- 反馈控制：依据溶氧电极采集到的数据，通过自动化控制系统动态调整搅拌速度、通气量和罐压等参数，使溶解氧始终维持在设定的合理范围内（通常为 20%-40% 饱和度）。这种反馈控制机制能够及时响应溶解氧的变化，确保发酵过程的稳定性。
3. 分段控制策略
- 生长阶段：在菌体快速生长期，维持较高的溶解氧水平（如40%-60%饱和度），以满足菌体的高耗氧需求。
- 表达阶段：在诱导外源蛋白表达时，适当降低溶解氧水平（如20%-30%饱和度），以减少能量浪费和副产物生成。
4. 补料策略优化
- 补料速率：通过控制补料速率，调节菌体的比生长速率，从而间接控制耗氧速率。
- 碳源选择：使用代谢产氧较少的碳源（如甘油），可以降低氧气的需求。
溶解氧调控的实际应用
在实际发酵过程中，溶解氧的精准调控需要结合在线监测数据和动态调整策略。例如：
- 当溶解氧水平低于设定值时，自动提高搅拌速度或增加通气量。
- 当溶解氧水平过高时，降低搅拌速度或减少通气量，以节约能量。
- 在诱导表达阶段，根据外源蛋白的合成需求，调整溶解氧水平。
溶解氧调控的意义
精准调控溶解氧水平，不仅可以提高菌体密度和外源蛋白的表达量，还能显著改善发酵过程的稳定性和重现性。这对于重组大肠杆菌高密度发酵的工业化应用具有重要意义。
总结
溶解氧的精准调控是高密度发酵成功的关键之一。通过优化供氧条件、在线监测与反馈控制、分段控制策略和补料策略优化，我们可以有效维持溶解氧在适宜水平，从而实现菌体的高密度培养和外源蛋白的高效表达。未来，随着发酵工艺和自动化控制技术的进一步发展，溶解氧调控将更加精准和高效，为生物制药和工业酶制剂的生产提供更强有力的支持。
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