在生物合成发酵过程中，CO₂作为微生物代谢的核心产物与关键环境因子，其动态变化直接关联微生物生长、代谢通量分配及目标产物合成效率。深入解析 CO₂的作用机制并建立精准控制体系，是推动发酵工艺从 “经验化” 向 “精准化” 升级的核心环节，对提升生物合成产品的产量、纯度及经济性具有重要意义。
发酵车间
一、CO₂对生物合成发酵的双重影响机制
CO₂在发酵体系中的作用具有 “双向性”，其影响程度取决于微生物种类、发酵阶段、CO₂浓度（气相分压 / 液相溶解度）及环境协同因子（如 pH、温度、溶氧），具体可分为正面调控作用与负面抑制效应。
（一）正面调控作用：代谢路径的 “导向剂”
部分微生物的生长与产物合成需依赖一定浓度的 CO₂，其核心作用体现在代谢路径激活与细胞生理功能维持：
展开剩余87%1、碳源补充与代谢启动：对于自养型微生物（如蓝细菌、某些甲基营养菌），CO₂是核心碳源，通过卡尔文循环转化为有机碳骨架，为细胞增殖与产物合成提供基础；对于异养型微生物（如醋酸菌、乳酸菌），低浓度 CO₂可激活丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶等关键酶活性，促进草酰乙酸合成，弥补三羧酸循环（TCA 循环）中间产物的消耗，提升有机酸、氨基酸等产物的合成效率。
2、细胞结构与功能维持：CO₂可调节微生物细胞膜的流动性与通透性，例如酵母菌在低 CO₂浓度（气相分压 5%-8%）下，细胞膜对营养物质（如葡萄糖、氨基酸）的转运效率提升，间接促进细胞生长；此外，CO₂还可参与某些微生物的信号通路调控，如放线菌合成抗生素时，低浓度 CO₂可激活次生代谢基因簇（如青霉素合成基因簇）的表达，推动产物合成启动。
（二）负面抑制效应：生长与产物合成的 “限制因子”
当 CO₂浓度超过微生物耐受阈值（通常气相分压＞15%，或液相浓度＞0.05mol/L）时，会从细胞生理、代谢路径及环境参数三个层面产生抑制作用，具体表现为：
1、微生物生长抑制：细胞生理功能紊乱
高浓度 CO₂会破坏微生物细胞膜的完整性与功能：一方面，CO₂在液相中溶解生成 H₂CO₃，导致细胞膜表面电荷分布改变，降低膜对阳离子（如 K⁺、Mg²⁺）的选择性吸收，引发细胞内渗透压失衡；另一方面，高浓度 CO₂会抑制细胞膜上 ATP 酶的活性，减少 ATP 合成，导致细胞能量供应不足，最终表现为细胞比生长速率下降、停滞期延长，甚至出现细胞凋亡。
例如，酿酒酵母在 CO₂气相分压＞20% 时，细胞增殖速率可下降 30%-50%；青霉素生产菌（产黄青霉）在 CO₂浓度过高时，菌丝体易出现 “自溶” 现象，严重影响抗生素合成。
2、产物合成抑制：代谢通量的 “错配”
高浓度 CO₂会通过调控关键酶活性或基因表达，导致代谢通量从 “目标产物合成路径” 向 “副产物生成路径” 转移：
抗生素类产物：对于青霉素、头孢菌素等 β- 内酰胺类抗生素，高 CO₂会抑制异青霉素 N 合成酶（IPNS）、扩环酶等关键酶活性，同时促进有机酸（如柠檬酸、琥珀酸）的生成，导致抗生素产量下降。研究表明，产黄青霉发酵体系中 CO₂气相分压从 5% 升至 25% 时，青霉素产量可降低 40%-60%。
氨基酸类产物：谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸时，高 CO₂会抑制谷氨酸脱氢酶（GDH）活性，同时激活 α- 酮戊二酸脱氢酶，导致 TCA 循环通量增强，谷氨酸合成受阻；而赖氨酸合成过程中，高 CO₂会抑制二氢吡啶二羧酸合成酶（DHDPS），减少赖氨酸前体物质生成。
乙醇等溶剂类产物：酿酒酵母发酵产乙醇时，高 CO₂会抑制丙酮酸脱羧酶与乙醇脱氢酶活性，同时促进甘油合成（以维持细胞渗透压），导致乙醇产率下降 5%-10%。
3、发酵环境恶化：参数稳定性失衡
CO₂在液相中的溶解会引发连锁性环境参数变化：一方面，CO₂与水反应生成 H₂CO₃，导致发酵液 pH 持续下降，若未及时调控，会进一步抑制微生物酶活性（多数微生物最适 pH 为 6.0-7.5）；另一方面，高浓度 CO₂会与溶氧（DO）竞争气相空间，降低氧气传递效率（OTR），尤其在高细胞密度发酵中，易引发 “溶氧限制” 与 “CO₂积累” 的双重困境，形成恶性循环。
二、CO₂的精准控制策略：从 “被动调节” 到 “主动调控”
针对 CO₂的影响机制，需结合发酵工艺特点（如微生物类型、产物特性、发酵规模），从 “过程参数优化”“系统设计升级”“在线监测调控” 三个维度建立控制体系，实现 CO₂浓度的动态平衡。
（一）发酵过程参数调控：基础控制手段
通过调节发酵过程关键参数，改变 CO₂的生成速率与传递效率，是最直接、经济的控制方式：
1、通气量与搅拌速率协同调节
通气量：增加通气量可提升气相更新速率，将发酵液中溶解的 CO₂通过 “气提效应” 带出体系，适用于中低细胞密度发酵（如青霉素种子罐培养）。需注意：通气量并非越高越好，过高通气会导致发酵液蒸发量增加、能耗上升，且可能因 “剪切力过大” 损伤菌丝体（如放线菌、真菌），需根据微生物耐受性确定最优通气量（通常为 0.5-2.0 vvm，即体积通气量 / 发酵液体积・分钟）。
搅拌速率：提高搅拌速率可增强发酵液的湍动程度，打破气液界面边界层，提升 CO₂的传质系数（kLa），促进 CO₂从液相向气相转移。例如，在谷氨酸发酵中，将搅拌速率从 300 rpm 提升至 500 rpm，CO₂液相浓度可降低 20%-30%，同时提升溶氧水平；但需匹配搅拌桨型（如 Rushton 桨、推进式桨），避免局部剪切力过高。
2、温度与 pH 协同调控
温度：CO₂在水中的溶解度随温度升高而降低（20℃时溶解度约为 0.17g/L，37℃时约为 0.11g/L），适当提升发酵温度（需在微生物最适生长温度范围内）可减少 CO₂溶解，适用于耐高温微生物（如枯草芽孢杆菌）。例如，乙醇发酵中，将温度从 30℃升至 34℃，CO₂液相浓度可降低 15%，同时提升酵母代谢活性。
pH 调节：通过添加碱性物质（如氨水、NaOH、CaCO₃）中和 CO₂溶解产生的 H⁺，维持发酵液 pH 稳定，同时间接减少 CO₂的 “溶解滞留”。例如，谷氨酸发酵中，采用流加氨水的方式将 pH 控制在 6.5-7.0，不仅可缓解 CO₂对 GDH 的抑制，还能为谷氨酸合成提供氮源；需注意：碱性物质的添加速率需与 CO₂生成速率匹配，避免 pH 剧烈波动。
3、发酵液渗透压与细胞密度调控
通过控制培养基成分（如添加甜菜碱、脯氨酸等渗透压保护剂）或流加补料速率，调节细胞密度，减少 CO₂的 “单位体积生成量”。例如，在高细胞密度发酵（如重组大肠杆菌发酵生产胰岛素）中，采用 “分批补料” 模式替代 “批次发酵”，可避免细胞过度增殖导致的 CO₂大量积累，同时维持稳定的代谢速率。
（二）发酵系统设计升级：硬件保障体系
优化发酵罐的结构设计，提升 CO₂的传递与脱除效率，是规模化发酵（如 10m³ 以上发酵罐）中控制 CO₂的关键：
1、通气分布器优化
采用 “环形多孔分布器” 或 “微气泡分布器” 替代传统的 “单孔分布器”，可将通入的空气分散为更小的气泡（直径从 5-10mm 降至 1-3mm），增大气液接触面积，提升 CO₂的脱除效率。例如，某氨基酸企业将发酵罐通气分布器升级为微气泡分布器后，CO₂液相浓度稳定在 0.03-0.04mol/L，氨基酸产量提升 12%。
2、发酵罐罐型与内部结构设计
高径比：合理提升发酵罐高径比（从传统 1:1.5 增至 1:2.0-1:2.5），可延长气泡在发酵液中的停留时间，增强气液传质效果，同时减少 CO₂在罐顶的 “滞留区”。
内部构件：在发酵罐内增设 “导流筒”“挡板”，优化液体流场，避免局部 CO₂积累；对于高黏度发酵液（如真菌发酵液），可采用 “自吸式搅拌桨”，增强气体吸入与分散能力，提升 CO₂脱除效率。
3、外置 CO₂脱除系统
对于 CO₂生成量极高的发酵工艺（如厌氧发酵生产沼气、好氧高细胞密度发酵），可在发酵罐外增设 “CO₂脱除单元”，将发酵尾气或循环气中的 CO₂选择性脱除后再通入发酵罐：
化学吸收法：采用乙醇胺、碳酸钾等吸收剂，通过化学反应选择性吸收 CO₂，适用于高浓度 CO₂脱除；
物理吸附法：采用分子筛、活性炭等吸附剂，通过物理吸附脱除 CO₂，适用于低浓度 CO₂精制；
膜分离法：利用中空纤维膜的选择性渗透特性，将 CO₂与空气分离，具有能耗低、操作简便的优势，已在大规模发酵工厂中逐步应用。
在生物合成发酵中，CO₂并非 “无用副产物”，而是需精准调控的 “关键代谢调控因子”。其影响机制的复杂性与控制需求的精准性，要求企业从 “单一参数调节” 转向 “多维度协同控制”—— 既要结合微生物代谢特性优化工艺参数，也要通过系统设计升级提升传质效率，更需依托在线监测技术实现智能化调控。
未来，随着合成生物学、过程工程与智能控制技术的融合，CO₂的控制将向 “动态自适应调控” 发展，例如基于微生物代谢网络模型预测 CO₂生成趋势，提前启动调控措施，进一步推动生物合成发酵工艺的高效化、稳定化与绿色化，为生物制造产业的高质量发展提供核心支撑。
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