大腸桿菌發酵的嚴苛挑戰：如何精準溫控與高效產率_abio生物試劑品牌網
在生物制藥、食品添加劑和生物基材料生產中，大腸桿菌（Escherichia coli）因其快速增殖、遺傳操作便捷和表達效率高等優勢，成為工業化發酵的核心宿主之一。
一、大腸桿菌的特性及發酵環境要求
大腸桿菌是一種廣泛應用于生物技術領域的原核微生物，具有生長迅速、遺傳背景清晰、培養條件簡單等優點。其代謝類型為兼性厭氧異養型，能夠在有氧和無氧條件下生長。然而，大腸桿菌發酵過程面臨著諸多挑戰，尤其是在大規模生產中，傳統發酵罐受限于控溫精度低、參數調節滯后、補料策略單一等缺陷，難以滿足高密度培養和工業化生產的穩定性需求。發酵環境的嚴苛要求主要體現在溫度、溶氧、pH值等多個關鍵參數上。
二、溫度控制在大腸桿菌發酵中的重要性
溫度是影響大腸桿菌生長和代謝的關鍵因素之一。大腸桿菌的最適生長溫度通常為37℃，但在發酵過程中，溫度的微小波動可能對其生長速率和產物合成產生顯著影響。以工程大腸桿菌TY03菌株作為L-酪氨酸生產菌為例，通過單因素實驗探究各變量對產量的影響時發現，當發酵溫度處于35～36℃范圍內，L-酪氨酸產量隨溫度升高而增加，并在36℃時達到最大值39.0 g/L。然而，當發酵溫度超過36℃后，產量逐漸下降。分析其原因，可能是溫度過高抑制了菌體的正常繁殖，導致L-酪氨酸代謝途徑受阻，進而引起產量下降和菌體密度降低。因此，36℃被確定為最優發酵溫度[1]。
霍爾斯HOLVES發酵罐采用先進溫控系統，精準維持溫度穩定，為菌體生長和產物合成提供最佳條件。在常規的玻璃發酵罐上，配備24V低壓安全電熱毯和換熱冷水管模塊，結合HF-Control控制軟件，實現加熱和冷卻過程的精確控制；不銹鋼發酵罐則通過夾套恒溫水加熱配合換熱冷水管控溫。
分階段溫度調控可顯著優化菌體生長與產物合成。例如，在誘導階段，適當提高溫度可以增強目標蛋白的表達，而在穩定期，降低溫度有助于減少副產物的積累。利用這個特性進行過程分階段溫度控制策略：在誘導初期(13.5～20h)，誘導溫度采用40℃;21～37h降低溫度至38℃;38h以后采用36℃，最終工程菌合成L-Phe的產量達到 52.7g/L，顯著改善菌體生長和生產L-Phe的能力[2]。
霍爾斯HOLVES發酵罐根據不同用戶的發酵工藝需求，支持靈活設置不同時間段的溫度參數，實現全程自動化控制。具體操作界面如下圖一，除了溫度，還可以設置溶氧、pH、攪拌轉速和補料泵轉速，這不僅節省了大量的人力和時間成本，還顯著提高了發酵工藝的穩定性和效率。
（圖1 HF-Control 順控設置界面）
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酵的另外兩個關鍵因素。大腸桿菌的生長和代謝活動高度依賴氧氣供應，溶氧不足會導致菌體代謝受阻，進而影響產物合成。溶解氧的高低取決于通風量、攪拌轉速、發酵罐的徑高比、攪拌葉直徑大小，以及培養液濃度、培養溫度、罐壓等因素[3]。
霍爾斯HOLVES發酵罐主要通過優化罐體的徑高比，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、通氣量關聯，自動在范圍內調節，確保發酵液中的溶氧濃度維持在適宜水平。
同時，pH值的嚴格控制也是大腸桿菌發酵成功的關鍵。例如在探究不同pH值對大腸桿菌發酵異亮氨酸的影響時，發現，前期控制發酵液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量得到有效提高。[4]
（丁酸下大腸桿菌生長曲線圖）
（醋酸下大腸桿菌生長曲線圖） pH值過高或過低會直接影響菌體的生長和代謝產物的積累，霍爾斯HOLVES發酵罐配備的自動化控制系統能夠實時監測pH值變化，并通過補酸或補堿操作維持發酵液的酸堿平衡。
通過精準控制溶氧和pH值，霍爾斯HOLVES發酵罐不僅優化了大腸桿菌的生長環境，還顯著提高了發酵效率和產物質量。
四、發酵罐對大腸桿菌高密度培養的適配性與批次穩定性（補料）
大腸桿菌具有易培養、遺傳學背景清楚、表達水平高、培養周期短等特點，成為目前應用最為廣泛的基因工程合成異源蛋白的原核表達系統。而工業生產發酵是以最低的成本獲得最高的細胞或其產物收益為基本目標，因此大規模高密度培養大腸桿菌的技術和工藝變得越來越重要。[5]
研究表明，高密度發酵受多種因素影響，如表達系統、培養基組成、發酵條件控制、補料策略等。[6] 除了以上介紹的高精度參數控制，霍爾斯還開發了多種補料方式用于不同的發酵場景。最基礎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酵的方程、指數補料，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關系，可以維持營養物質濃度，并減少代謝副產物的積累。在重組大腸桿菌生產人生長激素的研究中，采用指數流加補料策略，菌體濃度達到120 OD525。[7]
（圖2 HF-Control 補料泵設置界面） 也可以根據發酵過程中的pH、溶氧實時參數進行動態調整補料速率，操作界面如下圖三，更精確地控制發酵過程，避免營養物質過量或不足。例如發酵過程采用pH反饋控制補料策略，可以有效控制了乙酸的積累[8]；采用溶氧反饋調節-限制性補料的方法，可以有效地降低有害物質的積累保持了工程菌的穩定性，提高目的蛋白的表達產量。[9] 多樣化的操作模式使得霍爾斯HOLVES發酵罐具有高度適配性，顯著提高大腸桿菌發酵的效率和產物產量。
（圖3 HF-Control 關聯界面） 大腸桿菌發酵的批次穩定性也是工業生產中的關鍵問題之一。霍爾斯HOLVES發酵罐除了要優化設計和精準控制參數，還確保罐體上所有的的硬件參數經過嚴格校準，減少設備間的差異。多聯發酵罐系統（如Twin220和Hub240）支持平行發酵，對并聯發酵罐的關鍵參數（如溫度、pH、溶氧、攪拌速度、通氣量等）進行同步控制和實時監測，確保不同批次發酵過程的一致性和可重復性。
霍爾斯HOLVES發酵罐憑借其精準的溫度控制、高效的溶氧和pH調節能力，以及對大腸桿菌高密度培養的高度適配性，成功應對了大腸桿菌發酵過程中的嚴苛挑戰。其在工業生產中的應用，不僅提高了發酵效率和產物產量，還確保了批次穩定性，為生物技術領域的大腸桿菌發酵提供了可靠的解決方案。
未來，隨著AI算法和物聯網（IoT）技術的深度融合，霍爾斯HOLVES將進一步優化預測性調控和遠程監控能力，為合成生物學和綠色制造提供更智能的發酵平臺。
立即體驗：訪問[官網鏈接]獲取技術白皮書，或聯系工程師定制解決方案。
參考文獻：
[1]杜麗紅,袁謹怡,戰俊杰,等.大腸桿菌產L-酪氨酸發酵工藝優化[J].食品與發酵科技,2024,60(05):16-22.
[2]周海巖,劉龍,堵國成,等.誘導溫度對大腸桿菌BR-42 ΔpykA(pAP-B03)發酵生產L-苯丙氨酸的影響[J].食品與發酵工業,2014,40(04):7-12.DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.2014.04.014.
[3]培養基內溶解氧的高低取決于哪些因素?[J].發酵科技通訊,2009,38(04):30.
[4]孫家凱,吳曉嬌,史建明,等.pH值對大腸桿菌發酵異亮氨酸的影響[J].食品與發酵工業,2012,38(03):12-16.DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.2012.03.012.
[5]黎鴻平,黃海嬋,鐘衛鴻.大腸桿菌高密度培養研究進展[J].化學與生物工程,2012,29(08):1-5.
[6]冀成法,劉忠,馬魯南,等.重組大腸桿菌高密度、高表達研究進展[J].生物技術,2022,32(02):246-251.DOI:10.16519/j.cnki.1004-311x.2022.02.0040.
[7]李民，陳常慶. 重組大腸桿菌高密度發酵研究進展[J].生物工程進展，2000,Vol.20,No.2
[8]蒙健宗,陳發忠,王青艷,等.重組海藻糖合成酶工程菌的pH-stat高密度發酵工藝研究[J].食品工業科技,2006,(08):125-128.
[9]李毅,蒲勤,趙忠良,等.溶氧反饋-分批補料高密度培養人骨形成蛋白-2工程菌[J].生物工程學報,2002,(06):718-723.DOI:10.13345/j.cjb.2002.06.016.
一、大腸桿菌的特性及發酵環境要求
大腸桿菌是一種廣泛應用于生物技術領域的原核微生物，具有生長迅速、遺傳背景清晰、培養條件簡單等優點。其代謝類型為兼性厭氧異養型，能夠在有氧和無氧條件下生長。然而，大腸桿菌發酵過程面臨著諸多挑戰，尤其是在大規模生產中，傳統發酵罐受限于控溫精度低、參數調節滯后、補料策略單一等缺陷，難以滿足高密度培養和工業化生產的穩定性需求。發酵環境的嚴苛要求主要體現在溫度、溶氧、pH值等多個關鍵參數上。
二、溫度控制在大腸桿菌發酵中的重要性
溫度是影響大腸桿菌生長和代謝的關鍵因素之一。大腸桿菌的最適生長溫度通常為37℃，但在發酵過程中，溫度的微小波動可能對其生長速率和產物合成產生顯著影響。以工程大腸桿菌TY03菌株作為L-酪氨酸生產菌為例，通過單因素實驗探究各變量對產量的影響時發現，當發酵溫度處于35～36℃范圍內，L-酪氨酸產量隨溫度升高而增加，并在36℃時達到最大值39.0 g/L。然而，當發酵溫度超過36℃后，產量逐漸下降。分析其原因，可能是溫度過高抑制了菌體的正常繁殖，導致L-酪氨酸代謝途徑受阻，進而引起產量下降和菌體密度降低。因此，36℃被確定為最優發酵溫度[1]。
霍爾斯HOLVES發酵罐采用先進溫控系統，精準維持溫度穩定，為菌體生長和產物合成提供最佳條件。在常規的玻璃發酵罐上，配備24V低壓安全電熱毯和換熱冷水管模塊，結合HF-Control控制軟件，實現加熱和冷卻過程的精確控制；不銹鋼發酵罐則通過夾套恒溫水加熱配合換熱冷水管控溫。
分階段溫度調控可顯著優化菌體生長與產物合成。例如，在誘導階段，適當提高溫度可以增強目標蛋白的表達，而在穩定期，降低溫度有助于減少副產物的積累。利用這個特性進行過程分階段溫度控制策略：在誘導初期(13.5～20h)，誘導溫度采用40℃;21～37h降低溫度至38℃;38h以后采用36℃，最終工程菌合成L-Phe的產量達到 52.7g/L，顯著改善菌體生長和生產L-Phe的能力[2]。
霍爾斯HOLVES發酵罐根據不同用戶的發酵工藝需求，支持靈活設置不同時間段的溫度參數，實現全程自動化控制。具體操作界面如下圖一，除了溫度，還可以設置溶氧、pH、攪拌轉速和補料泵轉速，這不僅節省了大量的人力和時間成本，還顯著提高了發酵工藝的穩定性和效率。
（圖1 HF-Control 順控設置界面）
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酵的另外兩個關鍵因素。大腸桿菌的生長和代謝活動高度依賴氧氣供應，溶氧不足會導致菌體代謝受阻，進而影響產物合成。溶解氧的高低取決于通風量、攪拌轉速、發酵罐的徑高比、攪拌葉直徑大小，以及培養液濃度、培養溫度、罐壓等因素[3]。
霍爾斯HOLVES發酵罐主要通過優化罐體的徑高比，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、通氣量關聯，自動在范圍內調節，確保發酵液中的溶氧濃度維持在適宜水平。
同時，pH值的嚴格控制也是大腸桿菌發酵成功的關鍵。例如在探究不同pH值對大腸桿菌發酵異亮氨酸的影響時，發現，前期控制發酵液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量得到有效提高。[4]
（丁酸下大腸桿菌生長曲線圖）（醋酸下大腸桿菌生長曲線圖） pH值過高或過低會直接影響菌體的生長和代謝產物的積累，霍爾斯HOLVES發酵罐配備的自動化控制系統能夠實時監測pH值變化，并通過補酸或補堿操作維持發酵液的酸堿平衡。
通過精準控制溶氧和pH值，霍爾斯HOLVES發酵罐不僅優化了大腸桿菌的生長環境，還顯著提高了發酵效率和產物質量。
四、發酵罐對大腸桿菌高密度培養的適配性與批次穩定性（補料）
大腸桿菌具有易培養、遺傳學背景清楚、表達水平高、培養周期短等特點，成為目前應用最為廣泛的基因工程合成異源蛋白的原核表達系統。而工業生產發酵是以最低的成本獲得最高的細胞或其產物收益為基本目標，因此大規模高密度培養大腸桿菌的技術和工藝變得越來越重要。[5]
研究表明，高密度發酵受多種因素影響，如表達系統、培養基組成、發酵條件控制、補料策略等。[6] 除了以上介紹的高精度參數控制，霍爾斯還開發了多種補料方式用于不同的發酵場景。最基礎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酵的方程、指數補料，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關系，可以維持營養物質濃度，并減少代謝副產物的積累。在重組大腸桿菌生產人生長激素的研究中，采用指數流加補料策略，菌體濃度達到120 OD525。[7]
（圖2 HF-Control 補料泵設置界面） 也可以根據發酵過程中的pH、溶氧實時參數進行動態調整補料速率，操作界面如下圖三，更精確地控制發酵過程，避免營養物質過量或不足。例如發酵過程采用pH反饋控制補料策略，可以有效控制了乙酸的積累[8]；采用溶氧反饋調節-限制性補料的方法，可以有效地降低有害物質的積累保持了工程菌的穩定性，提高目的蛋白的表達產量。[9] 多樣化的操作模式使得霍爾斯HOLVES發酵罐具有高度適配性，顯著提高大腸桿菌發酵的效率和產物產量。
（圖3 HF-Control 關聯界面） 大腸桿菌發酵的批次穩定性也是工業生產中的關鍵問題之一。霍爾斯HOLVES發酵罐除了要優化設計和精準控制參數，還確保罐體上所有的的硬件參數經過嚴格校準，減少設備間的差異。多聯發酵罐系統（如Twin220和Hub240）支持平行發酵，對并聯發酵罐的關鍵參數（如溫度、pH、溶氧、攪拌速度、通氣量等）進行同步控制和實時監測，確保不同批次發酵過程的一致性和可重復性。
霍爾斯HOLVES發酵罐憑借其精準的溫度控制、高效的溶氧和pH調節能力，以及對大腸桿菌高密度培養的高度適配性，成功應對了大腸桿菌發酵過程中的嚴苛挑戰。其在工業生產中的應用，不僅提高了發酵效率和產物產量，還確保了批次穩定性，為生物技術領域的大腸桿菌發酵提供了可靠的解決方案。
未來，隨著AI算法和物聯網（IoT）技術的深度融合，霍爾斯HOLVES將進一步優化預測性調控和遠程監控能力，為合成生物學和綠色制造提供更智能的發酵平臺。
立即體驗：訪問[官網鏈接]獲取技術白皮書，或聯系工程師定制解決方案。
參考文獻：
[1]杜麗紅,袁謹怡,戰俊杰,等.大腸桿菌產L-酪氨酸發酵工藝優化[J].食品與發酵科技,2024,60(05):16-22.
[2]周海巖,劉龍,堵國成,等.誘導溫度對大腸桿菌BR-42 ΔpykA(pAP-B03)發酵生產L-苯丙氨酸的影響[J].食品與發酵工業,2014,40(04):7-12.DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.2014.04.014.
[3]培養基內溶解氧的高低取決于哪些因素?[J].發酵科技通訊,2009,38(04):30.
[4]孫家凱,吳曉嬌,史建明,等.pH值對大腸桿菌發酵異亮氨酸的影響[J].食品與發酵工業,2012,38(03):12-16.DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.2012.03.012.
[5]黎鴻平,黃海嬋,鐘衛鴻.大腸桿菌高密度培養研究進展[J].化學與生物工程,2012,29(08):1-5.
[6]冀成法,劉忠,馬魯南,等.重組大腸桿菌高密度、高表達研究進展[J].生物技術,2022,32(02):246-251.DOI:10.16519/j.cnki.1004-311x.2022.02.0040.
[7]李民，陳常慶. 重組大腸桿菌高密度發酵研究進展[J].生物工程進展，2000,Vol.20,No.2
[8]蒙健宗,陳發忠,王青艷,等.重組海藻糖合成酶工程菌的pH-stat高密度發酵工藝研究[J].食品工業科技,2006,(08):125-128.
[9]李毅,蒲勤,趙忠良,等.溶氧反饋-分批補料高密度培養人骨形成蛋白-2工程菌[J].生物工程學報,2002,(06):718-723.DOI:10.13345/j.cjb.2002.06.016.
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