如果把酵母看作一条被压缩的工业基因链，那么发酵罐就是这条链的“解旋酶”。在这里，精确的调控决定着酵母细胞生长、代谢与产量。任何一处剪切力、溶氧梯度或混合死角，都会让链断裂，产品收率也会随之崩塌。本文我们来看看如何通过可量化的参数，把“看不见的代谢”变成“看得见的曲线”。

一、酵母细胞对发酵罐的依赖
全球每年有超过5000万的酵母参与的终端产品产品（啤酒、面包、重组蛋白、生物燃料等），发酵罐已不仅是容器，而是融合基因工程和代谢调控的精密生态系统。在这个人造环境中，酵母细胞以超越自然千百倍的效率转化物质，创造着从食品原料到生物燃料的各类产物。

毕赤酵母（Pichia pastoris）具有外源基因遗传稳定、细胞生长速率快、产物表达效率高、不受内毒素和噬菌体影响等优点，能够有效地实现蛋白转录和翻译，准确的完成蛋白加工修饰，所以常用于重组蛋白表达（如疫苗中的佐剂）。然而，这些应用对发酵罐提出苛刻要求——酵母发酵依赖恒定的温度、pH和均匀的营养环境[1-3]。一个简陋的培养容器会引发细胞生长不均、产物抑制或批次失败，导致巨大经济损失。

与此同时，酵母的应用领域也扩展到了宠物食品领域，例如从鸡骨骼肌细胞中提取目标蛋白基因，将它植入改造后的酵母中。之后这些携带动物蛋白基因的微生物被送入密闭发酵罐，与糖类、盐分及矿物质共同作用。数天后，纯度超98%的动物蛋白粉在罐中诞生，这种方法不仅无需屠宰动物，还能获得与天然肉类完全相同的蛋白质。
虽然不同行业都需要酵母，但对酵母菌株的生理状态和产物目标有着截然不同的要求，这直接决定了发酵罐运行参数的精密度标准。从微小的种子罐到庞大的工业化生产罐，每一次规模放大都绝非简单的体积倍增，需要综合考虑多种因素进行方法学放大——如容积、传质系数、单位体积功率消耗、混合时间等[4]。必须确保剪切力、传质速率、溶氧水平等关键参数的线性放大误差最小化，配合发酵基础条件优化和补料策略优化，逐步确认最佳发酵工艺参数，才能维持酵母细胞的最优代谢环境，保障不同行业产品的独特品质与稳定产出[5]。因此，发酵罐对主要发酵参数的精准调控，已然成为支撑现代酵母生物制造产业升级的核心技术基石。
 

发酵罐的搅拌系统不是简单的机械旋转，它的作用在于克服流体阻力，将罐内的培养液均匀混合，增大分散相的有效接触面积，降低分散相周围的液膜阻力以及增大相对速度以提高传热速率等，创造出适宜的发酵微环境[6]。
酵母细胞在发酵液中存在沉降或聚集，都会导致局部营养匮乏、代谢废物累积及温度/pH形成梯度，根据工艺需求选择合适的桨叶并找到与之对应的特定转速使混合效果和产生的剪切力达到最优的平衡[7]。以毕赤酵母生产重组蛋白为例，Rushton型搅拌桨虽产生较高剪切力，但其独特的平叶片设计能形成上下双循环流场，特别适合需氧酵母的培养。而霍尔斯发酵罐研发的H-Mix®无封设计解决了传统机械密封的泄漏和染菌风险，使搅拌系统在保持高转速下仍维持无菌状态。

三、如何征服高粘度体系？
当发酵体系涉及高粘度产物时，混合挑战陡增。例如利用酵母菌高密度发酵生产凝胶多糖，随着其含量不断增加，罐中发酵液的表观粘度持续升高，气液传质与物料混合状况也随之变差，发酵后期溶氧浓度快速下降甚至跌至零点，同时 pH 和温度都出现较大波动，这对于多糖合成过程产生极为不利的影响[8]。
传统搅拌易形成“洞穴效应”——桨叶仅带动周围有限流体旋转，罐内大部分区域处于相对静止状态，这不仅造成混合死角，更严重阻碍了溶氧向酵母细胞的传递。霍尔斯发酵罐会根据客户实际工况，采用不同类型桨叶组合使用，保留涡流搅拌桨叶优秀的传氧效果，又增加混合流类型桨叶，避免细胞损伤的同时，也能在高粘度料液中拥有较好的混合效果。 

四、溶氧从“够用”到“刚刚好”
溶解氧（DO）是酵母发酵的核心命脉：它直接影响酵母的生长速率、酒精产量和代谢。酵母是典型的兼性厌氧微生物，其代谢路径随环境溶氧水平发生根本性转换：
充足DO条件： 酵母通过高效的有氧呼吸途径快速增殖，生物量大幅积累，乙醇生成受抑。

低/无DO条件： 酵母启动厌氧发酵，牺牲生长效率换取生存，将糖类主要转化为乙醇。
临界DO波动： 频繁跨越需氧/厌氧阈值将引发酵母代谢振荡，导致副产物（如杂醇、酸类）异常积累，显著损害终产物风味与纯净度。
霍尔斯智能控制系统通过DO电极实时捕捉溶氧波动，可根据溶氧设置数值自动调节通气量、搅拌转速、罐压参数或者进行补料操作，保证酵母细胞不同生长阶段所需的溶氧条件。设备还配置有顺序控制，可以按照自定义时间段自动修改溶氧、温度、pH等主要参数或者进行自动流加补料实现诱导条件。

现代酵母发酵工艺正朝着超高密度和表达方向发展，这要求发酵罐不仅要解决传质传热问题，还需整合在线监测、智能控制等新技术。在这个人工构造的生态中，发酵罐每一次的搅拌轨迹优化，每一段氧浓度曲线的调整都是人类与微生物对话的进化，霍尔斯要做的就是用产品让细胞只说用户能听到的语言，挖掘酵母的生物合成潜力，推动生物工业向更高效率发展。
 
参考文献
[1]夏姗,武福军,赵洪亮,等.毕赤酵母工程菌高密度发酵的研究进展[J].生物技术通讯,2013,24(01):109-112.
[2]武婕,张晓雪,余河水,等.毕赤酵母工程菌高密度发酵研究与进展[J].中国生物工程杂志,2016,36(01):108-114.DOI:10.13523/j.cb.20160115.
[3]刘晓明,张爱忠,姜宁,等.毕赤酵母基因工程菌高密度发酵及其应用研究[J].黑龙江畜牧兽医,2016,(01):41-45.DOI:10.13881/j.cnki.hljxmsy.2016.0012.
[4]陈晨,陈鸿飞.生物发酵工艺放大关键参数及控制方法研究[J].化纤与纺织技术,2021,50(08):25-26.
[5]关闯.产脂肪酸马克思克鲁维酵母工程菌发酵工艺建立及中试放大研究[D].北京化工大学,2024.DOI:10.26939/d.cnki.gbhgu.2024.000464.
[6]刘玉平.搅拌式生物反应器溶解氧性能研究[D].山东大学,2005.
[7]曾昭阳.生物反应器搅拌桨桨叶优化设计[D].哈尔滨工业大学,2014.
[8]孙京云.凝胶多糖发酵过程搅拌桨组合模式的优化与应用[D].华东理工大学,2018.