在生物制藥、食品添加劑和生物基材料生產(chǎn)中，大腸桿菌（Escherichia coli）因其快速增殖、遺傳操作便捷和表達(dá)效率高等優(yōu)勢，成為工業(yè)化發(fā)酵的核心宿主之一。
 
一、大腸桿菌的特性及發(fā)酵環(huán)境要求
大腸桿菌是一種廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)領(lǐng)域的原核微生物，具有生長迅速、遺傳背景清晰、培養(yǎng)條件簡單等優(yōu)點。其代謝類型為兼性厭氧異養(yǎng)型，能夠在有氧和無氧條件下生長。然而，大腸桿菌發(fā)酵過程面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)中，傳統(tǒng)發(fā)酵罐受限于控溫精度低、參數(shù)調(diào)節(jié)滯后、補料策略單一等缺陷，難以滿足高密度培養(yǎng)和工業(yè)化生產(chǎn)的穩(wěn)定性需求。發(fā)酵環(huán)境的嚴(yán)苛要求主要體現(xiàn)在溫度、溶氧、pH值等多個關(guān)鍵參數(shù)上。

 

二、溫度控制在大腸桿菌發(fā)酵中的重要性
溫度是影響大腸桿菌生長和代謝的關(guān)鍵因素之一。大腸桿菌的最適生長溫度通常為37℃，但在發(fā)酵過程中，溫度的微小波動可能對其生長速率和產(chǎn)物合成產(chǎn)生顯著影響。以工程大腸桿菌TY03菌株作為L-酪氨酸生產(chǎn)菌為例，通過單因素實驗探究各變量對產(chǎn)量的影響時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)酵溫度處于35～36℃范圍內(nèi)，L-酪氨酸產(chǎn)量隨溫度升高而增加，并在36℃時達(dá)到最大值39.0 g/L。然而，當(dāng)發(fā)酵溫度超過36℃后，產(chǎn)量逐漸下降。分析其原因，可能是溫度過高抑制了菌體的正常繁殖，導(dǎo)致L-酪氨酸代謝途徑受阻，進而引起產(chǎn)量下降和菌體密度降低。因此，36℃被確定為最優(yōu)發(fā)酵溫度[1]。

霍爾斯HOLVES發(fā)酵罐采用先進溫控系統(tǒng)，精準(zhǔn)維持溫度穩(wěn)定，為菌體生長和產(chǎn)物合成提供最佳條件。在常規(guī)的玻璃發(fā)酵罐上，配備24V低壓安全電熱毯和換熱冷水管模塊，結(jié)合HF-Control控制軟件，實現(xiàn)加熱和冷卻過程的精確控制；不銹鋼發(fā)酵罐則通過夾套恒溫水加熱配合換熱冷水管控溫。

分階段溫度調(diào)控可顯著優(yōu)化菌體生長與產(chǎn)物合成。例如，在誘導(dǎo)階段，適當(dāng)提高溫度可以增強目標(biāo)蛋白的表達(dá)，而在穩(wěn)定期，降低溫度有助于減少副產(chǎn)物的積累。利用這個特性進行過程分階段溫度控制策略：在誘導(dǎo)初期(13.5～20h)，誘導(dǎo)溫度采用40℃;21～37h降低溫度至38℃;38h以后采用36℃，最終工程菌合成L-Phe的產(chǎn)量達(dá)到 52.7g/L，顯著改善菌體生長和生產(chǎn)L-Phe的能力[2]。
霍爾斯HOLVES發(fā)酵罐根據(jù)不同用戶的發(fā)酵工藝需求，支持靈活設(shè)置不同時間段的溫度參數(shù)，實現(xiàn)全程自動化控制。具體操作界面如下圖一，除了溫度，還可以設(shè)置溶氧、pH、攪拌轉(zhuǎn)速和補料泵轉(zhuǎn)速，這不僅節(jié)省了大量的人力和時間成本，還顯著提高了發(fā)酵工藝的穩(wěn)定性和效率。

（圖1 HF-Control 順控設(shè)置界面） 

三、溶氧和pH對大腸桿菌生長的影響
除了溫度控制，溶氧和pH值是影響大腸桿菌發(fā)酵的另外兩個關(guān)鍵因素。大腸桿菌的生長和代謝活動高度依賴氧氣供應(yīng)，溶氧不足會導(dǎo)致菌體代謝受阻，進而影響產(chǎn)物合成。溶解氧的高低取決于通風(fēng)量、攪拌轉(zhuǎn)速、發(fā)酵罐的徑高比、攪拌葉直徑大小，以及培養(yǎng)液濃度、培養(yǎng)溫度、罐壓等因素[3]。
霍爾斯HOLVES發(fā)酵罐主要通過優(yōu)化罐體的徑高比，以及配置合適大小、類型的槳葉，同時HF-Control控制軟件將溶氧值與攪拌速率、通氣量關(guān)聯(lián)，自動在范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，確保發(fā)酵液中的溶氧濃度維持在適宜水平。
同時，pH值的嚴(yán)格控制也是大腸桿菌發(fā)酵成功的關(guān)鍵。例如在探究不同pH值對大腸桿菌發(fā)酵異亮氨酸的影響時，發(fā)現(xiàn)，前期控制發(fā)酵液pH保持7.2能夠縮短前期菌體延滯期，中期pH 7. 0可降低最大比生長速率，減少乙酸生成，后期 pH 6.7能夠有效降低NH4 +濃度，減緩菌體衰退，使菌體生物量及異亮氨酸產(chǎn)量得到有效提高。[4]

pH值過高或過低會直接影響菌體的生長和代謝產(chǎn)物的積累，霍爾斯HOLVES發(fā)酵罐配備的自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測pH值變化，并通過補酸或補堿操作維持發(fā)酵液的酸堿平衡。
通過精準(zhǔn)控制溶氧和pH值，霍爾斯HOLVES發(fā)酵罐不僅優(yōu)化了大腸桿菌的生長環(huán)境，還顯著提高了發(fā)酵效率和產(chǎn)物質(zhì)量。
 
四、發(fā)酵罐對大腸桿菌高密度培養(yǎng)的適配性與批次穩(wěn)定性（補料）
大腸桿菌具有易培養(yǎng)、遺傳學(xué)背景清楚、表達(dá)水平高、培養(yǎng)周期短等特點，成為目前應(yīng)用最為廣泛的基因工程合成異源蛋白的原核表達(dá)系統(tǒng)。而工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵是以最低的成本獲得最高的細(xì)胞或其產(chǎn)物收益為基本目標(biāo)，因此大規(guī)模高密度培養(yǎng)大腸桿菌的技術(shù)和工藝變得越來越重要。[5] 
研究表明，高密度發(fā)酵受多種因素影響，如表達(dá)系統(tǒng)、培養(yǎng)基組成、發(fā)酵條件控制、補料策略等。[6] 除了以上介紹的高精度參數(shù)控制，霍爾斯還開發(fā)了多種補料方式用于不同的發(fā)酵場景。最基礎(chǔ)是的恒速手動補料和周期性的按時補料，還有更適合高密度發(fā)酵的方程、指數(shù)補料，具體如下圖二。其補料速率是與菌體生長速率呈方程或指數(shù)關(guān)系，可以維持營養(yǎng)物質(zhì)濃度，并減少代謝副產(chǎn)物的積累。在重組大腸桿菌生產(chǎn)人生長激素的研究中，采用指數(shù)流加補料策略，菌體濃度達(dá)到120 OD525。[7]

也可以根據(jù)發(fā)酵過程中的pH、溶氧實時參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整補料速率，操作界面如下圖三，更精確地控制發(fā)酵過程，避免營養(yǎng)物質(zhì)過量或不足。例如發(fā)酵過程采用pH反饋控制補料策略，可以有效控制了乙酸的積累[8]；采用溶氧反饋調(diào)節(jié)-限制性補料的方法，可以有效地降低有害物質(zhì)的積累保持了工程菌的穩(wěn)定性，提高目的蛋白的表達(dá)產(chǎn)量。[9] 多樣化的操作模式使得霍爾斯HOLVES發(fā)酵罐具有高度適配性，顯著提高大腸桿菌發(fā)酵的效率和產(chǎn)物產(chǎn)量。

大腸桿菌發(fā)酵的批次穩(wěn)定性也是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題之一。霍爾斯HOLVES發(fā)酵罐除了要優(yōu)化設(shè)計和精準(zhǔn)控制參數(shù)，還確保罐體上所有的的硬件參數(shù)經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)，減少設(shè)備間的差異。多聯(lián)發(fā)酵罐系統(tǒng)（如Twin220和Hub240）支持平行發(fā)酵，對并聯(lián)發(fā)酵罐的關(guān)鍵參數(shù)（如溫度、pH、溶氧、攪拌速度、通氣量等）進行同步控制和實時監(jiān)測，確保不同批次發(fā)酵過程的一致性和可重復(fù)性。
 
霍爾斯HOLVES發(fā)酵罐憑借其精準(zhǔn)的溫度控制、高效的溶氧和pH調(diào)節(jié)能力，以及對大腸桿菌高密度培養(yǎng)的高度適配性，成功應(yīng)對了大腸桿菌發(fā)酵過程中的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，不僅提高了發(fā)酵效率和產(chǎn)物產(chǎn)量，還確保了批次穩(wěn)定性，為生物技術(shù)領(lǐng)域的大腸桿菌發(fā)酵提供了可靠的解決方案。
未來，隨著AI算法和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的深度融合，霍爾斯HOLVES將進一步優(yōu)化預(yù)測性調(diào)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，為合成生物學(xué)和綠色制造提供更智能的發(fā)酵平臺。
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參考文獻：
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