發酵罐在酵母生產中的關鍵作用
時間：2025.07.28
如果把酵母看作一條被壓縮的工業基因鏈，那么發酵罐就是這條鏈的“解旋酶”。在這里，精確的調控決定著酵母細胞生長、代謝與產量。任何一處剪切力、溶氧梯度或混合死角，都會讓鏈斷裂，產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，把“看不見的代謝”變成“看得見的曲線”。
一、酵母細胞對發酵罐的依賴
全球每年有超過5000萬的酵母參與的終端產品產品（啤酒、面包、重組蛋白、生物燃料等），發酵罐已不僅是容器，而是融合基因工程和代謝調控的精密生態系統。在這個人造環境中，酵母細胞以超越自然千百倍的效率轉化物質，創造著從食品原料到生物燃料的各類產物。
畢赤酵母（Pichia pastoris）具有外源基因遺傳穩定、細胞生長速率快、產物表達效率高、不受內毒素和噬菌體影響等優點，能夠有效地實現蛋白轉錄和翻譯，準確的完成蛋白加工修飾，所以常用于重組蛋白表達（如疫苗中的佐劑）。然而，這些應用對發酵罐提出苛刻要求——酵母發酵依賴恒定的溫度、pH和均勻的營養環境[1-3]。一個簡陋的培養容器會引發細胞生長不均、產物抑制或批次失敗，導致巨大經濟損失。
與此同時，酵母的應用領域也擴展到了寵物食品領域，例如從雞骨骼肌細胞中提取目標蛋白基因，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酵罐，與糖類、鹽分及礦物質共同作用。數天后，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。
雖然不同行業都需要酵母，但對酵母菌株的生理狀態和產物目標有著截然不同的要求，這直接決定了發酵罐運行參數的精密度標準。從微小的種子罐到龐大的工業化生產罐，每一次規模放大都絕非簡單的體積倍增，需要綜合考慮多種因素進行方法學放大——如容積、傳質系數、單位體積功率消耗、混合時間等[4]。必須確保剪切力、傳質速率、溶氧水平等關鍵參數的線性放大誤差最小化，配合發酵基礎條件優化和補料策略優化，逐步確認最佳發酵工藝參數，才能維持酵母細胞的最優代謝環境，保障不同行業產品的獨特品質與穩定產出[5]。因此，發酵罐對主要發酵參數的精準調控，已然成為支撐現代酵母生物制造產業升級的核心技術基石。
雖然不同行業都需要酵母，但對酵母菌株的生理狀態和產物目標有著截然不同的要求，這直接決定了發酵罐運行參數的精密度標準。從微小的種子罐到龐大的工業化生產罐，每一次規模放大都絕非簡單的體積倍增，需要綜合考慮多種因素進行方法學放大——如容積、傳質系數、單位體積功率消耗、混合時間等[4]。必須確保剪切力、傳質速率、溶氧水平等關鍵參數的線性放大誤差最小化，配合發酵基礎條件優化和補料策略優化，逐步確認最佳發酵工藝參數，才能維持酵母細胞的最優代謝環境，保障不同行業產品的獨特品質與穩定產出[5]。因此，發酵罐對主要發酵參數的精準調控，已然成為支撐現代酵母生物制造產業升級的核心技術基石。
二、發酵罐攪拌系統的精妙設計
發酵罐的攪拌系統不是簡單的機械旋轉，它的作用在于克服流體阻力，將罐內的培養液均勻混合，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，創造出適宜的發酵微環境[6]。
酵母細胞在發酵液中存在沉降或聚集，都會導致局部營養匱乏、代謝廢物累積及溫度/pH形成梯度，根據工藝需求選擇合適的槳葉并找到與之對應的特定轉速使混合效果和產生的剪切力達到最優的平衡[7]。以畢赤酵母生產重組蛋白為例，Rushton型攪拌槳雖產生較高剪切力，但其獨特的平葉片設計能形成上下雙循環流場，特別適合需氧酵母的培養。而霍爾斯發酵罐研發的H-Mix®無封設計解決了傳統機械密封的泄漏和染菌風險，使攪拌系統在保持高轉速下仍維持無菌狀態。
酵母細胞在發酵液中存在沉降或聚集，都會導致局部營養匱乏、代謝廢物累積及溫度/pH形成梯度，根據工藝需求選擇合適的槳葉并找到與之對應的特定轉速使混合效果和產生的剪切力達到最優的平衡[7]。以畢赤酵母生產重組蛋白為例，Rushton型攪拌槳雖產生較高剪切力，但其獨特的平葉片設計能形成上下雙循環流場，特別適合需氧酵母的培養。而霍爾斯發酵罐研發的H-Mix®無封設計解決了傳統機械密封的泄漏和染菌風險，使攪拌系統在保持高轉速下仍維持無菌狀態。
三、如何征服高粘度體系？
當發酵體系涉及高粘度產物時，混合挑戰陡增。例如利用酵母菌高密度發酵生產凝膠多糖，隨著其含量不斷增加，罐中發酵液的表觀粘度持續升高，氣液傳質與物料混合狀況也隨之變差，發酵后期溶氧濃度快速下降甚至跌至零點，同時 pH 和溫度都出現較大波動，這對于多糖合成過程產生極為不利的影響[8]。
傳統攪拌易形成“洞穴效應”——槳葉僅帶動周圍有限流體旋轉，罐內大部分區域處于相對靜止狀態，這不僅造成混合死角，更嚴重阻礙了溶氧向酵母細胞的傳遞。霍爾斯發酵罐會根據客戶實際工況，采用不同類型槳葉組合使用，保留渦流攪拌槳葉優秀的傳氧效果，又增加混合流類型槳葉，避免細胞損傷的同時，也能在高粘度料液中擁有較好的混合效果。
傳統攪拌易形成“洞穴效應”——槳葉僅帶動周圍有限流體旋轉，罐內大部分區域處于相對靜止狀態，這不僅造成混合死角，更嚴重阻礙了溶氧向酵母細胞的傳遞。霍爾斯發酵罐會根據客戶實際工況，采用不同類型槳葉組合使用，保留渦流攪拌槳葉優秀的傳氧效果，又增加混合流類型槳葉，避免細胞損傷的同時，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）是酵母發酵的核心命脈：它直接影響酵母的生長速率、酒精產量和代謝。酵母是典型的兼性厭氧微生物，其代謝路徑隨環境溶氧水平發生根本性轉換：
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。
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： 酵母啟動厭氧發酵，犧牲生長效率換取生存，將糖類主要轉化為乙醇。
臨界DO波動： 頻繁跨越需氧/厭氧閾值將引發酵母代謝振蕩，導致副產物（如雜醇、酸類）異常積累，顯著損害終產物風味與純凈度。
霍爾斯智能控制系統通過DO電極實時捕捉溶氧波動，可根據溶氧設置數值自動調節通氣量、攪拌轉速、罐壓參數或者進行補料操作，保證酵母細胞不同生長階段所需的溶氧條件。設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等主要參數或者進行自動流加補料實現誘導條件。
現代酵母發酵工藝正朝著超高密度和表達方向發展，這要求發酵罐不僅要解決傳質傳熱問題，還需整合在線監測、智能控制等新技術。在這個人工構造的生態中，發酵罐每一次的攪拌軌跡優化，每一段氧濃度曲線的調整都是人類與微生物對話的進化，霍爾斯要做的就是用產品讓細胞只說用戶能聽到的語言，挖掘酵母的生物合成潛力，推動生物工業向更高效率發展。
參考文獻：
[1]夏姍,武福軍,趙洪亮,等.畢赤酵母工程菌高密度發酵的研究進展[J].生物技術通訊,2013,24(01):109-112.
[2]武婕,張曉雪,余河水,等.畢赤酵母工程菌高密度發酵研究與進展[J].中國生物工程雜志,2016,36(01):108-114.DOI:10.13523/j.cb.20160115.
[3]劉曉明,張愛忠,姜寧,等.畢赤酵母基因工程菌高密度發酵及其應用研究[J].黑龍江畜牧獸醫,2016,(01):41-45.DOI:10.13881/j.cnki.hljxmsy.2016.0012.
[4]陳晨,陳鴻飛.生物發酵工藝放大關鍵參數及控制方法研究[J].化纖與紡織技術,2021,50(08):25-26.
[5]關闖.產脂肪酸馬克思克魯維酵母工程菌發酵工藝建立及中試放大研究[D].北京化工大學,2024.DOI:10.26939/d.cnki.gbhgu.2024.000464.
[6]劉玉平.攪拌式生物反應器溶解氧性能研究[D].山東大學,2005.
[7]曾昭陽.生物反應器攪拌槳槳葉優化設計[D].哈爾濱工業大學,2014.
[8]孫京云.凝膠多糖發酵過程攪拌槳組合模式的優化與應用[D].華東理工大學,2018.
臨界DO波動： 頻繁跨越需氧/厭氧閾值將引發酵母代謝振蕩，導致副產物（如雜醇、酸類）異常積累，顯著損害終產物風味與純凈度。
霍爾斯智能控制系統通過DO電極實時捕捉溶氧波動，可根據溶氧設置數值自動調節通氣量、攪拌轉速、罐壓參數或者進行補料操作，保證酵母細胞不同生長階段所需的溶氧條件。設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等主要參數或者進行自動流加補料實現誘導條件。
現代酵母發酵工藝正朝著超高密度和表達方向發展，這要求發酵罐不僅要解決傳質傳熱問題，還需整合在線監測、智能控制等新技術。在這個人工構造的生態中，發酵罐每一次的攪拌軌跡優化，每一段氧濃度曲線的調整都是人類與微生物對話的進化，霍爾斯要做的就是用產品讓細胞只說用戶能聽到的語言，挖掘酵母的生物合成潛力，推動生物工業向更高效率發展。
參考文獻：
[1]夏姍,武福軍,趙洪亮,等.畢赤酵母工程菌高密度發酵的研究進展[J].生物技術通訊,2013,24(01):109-112.
[2]武婕,張曉雪,余河水,等.畢赤酵母工程菌高密度發酵研究與進展[J].中國生物工程雜志,2016,36(01):108-114.DOI:10.13523/j.cb.20160115.
[3]劉曉明,張愛忠,姜寧,等.畢赤酵母基因工程菌高密度發酵及其應用研究[J].黑龍江畜牧獸醫,2016,(01):41-45.DOI:10.13881/j.cnki.hljxmsy.2016.0012.
[4]陳晨,陳鴻飛.生物發酵工藝放大關鍵參數及控制方法研究[J].化纖與紡織技術,2021,50(08):25-26.
[5]關闖.產脂肪酸馬克思克魯維酵母工程菌發酵工藝建立及中試放大研究[D].北京化工大學,2024.DOI:10.26939/d.cnki.gbhgu.2024.000464.
[6]劉玉平.攪拌式生物反應器溶解氧性能研究[D].山東大學,2005.
[7]曾昭陽.生物反應器攪拌槳槳葉優化設計[D].哈爾濱工業大學,2014.
[8]孫京云.凝膠多糖發酵過程攪拌槳組合模式的優化與應用[D].華東理工大學,2018.