補料分批發酵：既解底物抑制，又穩菌種狀態，它是如何實現的

      補料分批發酵通過動態補料，將底物濃度精準控制在最優范圍，既滿足菌體生長需求，又避免高濃度引起的抑制和阻遏效應，從而大幅提高產量。

1. 補料分批發酵的優缺點

①可以解除底物抑制、產物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應。

②避免在分批發酵中一次性投料過多造成細胞大量生長，耗氧過多，以至通風攪拌設備不能匹配的狀況。

③菌體可被控制在一系列連續的過渡態階段，可用來作為控制細胞質量的手段。

④與連續發酵相比，補料分批發酵的優點在于：無菌要求低；菌種變異退化少；適用范圍更廣。

2.補料分批發酵的應用

       在發酵工業中，采用補料分批發酵可以使底物的殘留濃度保持在較低的水平，具有如下優點： 

（1）利用補料分批發酵可解除底物分解阻遏作用，同時可保障通氣條件和生產能力

       在以酵母菌體為產物的發酵中，如果培養基中含有過量的麥芽，酵母就會大量繁殖，其菌體濃度一旦超過了設備的供氧能力，就會形成厭氧環境，進而影響了菌體的形成，產生乙醇。因此，微生物發酵初期應在較稀的培養基中生長，然后逐漸補料，但是補料率應不大于微生物利用底物的能力，使這個過程以以上描述的半穩態，即處于底物限制性發酵狀態。

       Crabtree（1929）等發現面包酵母的呼吸活力對游離葡萄糖十分敏感，當其濃度在5μg/L時，即出現分解阻遏作用。因此，在現代酵母的補料分批發酵中，是通過自動測定發酵罐尾氣中微量乙醇含量來嚴格控制糖蜜補入量。這樣使得酵母的生長率降低，但菌體的產量卻接近發酵的理論值（Fiechter，1982）。

      青霉素發酵是利用補料分批發酵方法生產次級代謝產物的一個很好的例子。發酵全過程分為兩個時期，即菌體快速生長期和菌體緩慢生長期（或稱為生產期）。補入葡萄糖以控制這兩個時期的微生物代謝。在快速生長期，過量的葡萄糖可以引起有機酸的積累，并且使菌體對氧的需求量超過發酵罐的供氧能力。但是葡萄糖的缺乏又會導致培養基中的有限氮源作為碳源消耗，促使培養基的pH上升，妨礙了菌體的充分生長（Queener and Swartz，1979）。Queener和Swartz研究表明，在快速生長期利用計算機控制葡萄糖補料速度，使溶解氧或pH保持在一定范圍內，可以明顯的增加生產能力。當葡萄糖過量時，由于增加了呼吸速率和有機酸產量，發酵液中的溶解氧和pH都會大大地下降。

       青霉素發酵生產期的補料率，要能限制生長率并有適當濃度的溶解氧，才能獲得高的青霉素生產率。在生產期控制溶解氧比pH更好，因為pH對青霉素生物合成的影響沒有溶解氧對菌體生長影響大。在補料分批發酵中，總補料量、黏度和氧溶解度的需求量都在逐步增加，直到溶解氧成為限制因素為止。在發酵過程中，降低補糖率，可以使限制性因素的作用推遲出現，并可用計算機予以控制。在青霉素補料分批發酵中，有時會出現由于不斷地間歇補料，造成發酵罐中的發酵液體積不斷增加，達到了其最大裝液量，而青霉素生產率還處于高峰，此時要保持生產能力的方法就是從發酵罐中放出一部分發酵液，再繼續補料，以進一步提高青霉素發酵產量。

       有許多酶的合成能力受到代謝分解物的阻遏作用。快速分解利用的碳源能阻遏這些酶的合成。因此，這個現象應避免出現在酶的發酵生產中，而補料分批發酵的主要技術優點，就是可以防止這種現象的出現，采取向發酵液中不斷補加新鮮培養基的方法，就能夠保證碳源濃度始終達不到分解物阻遏作用的閾值。

（2）利用補料分批發酵可以降低高濃度培養基的抑制作用并延長發酵生產時間

       如果培養基中某一組分濃度對微生物生長具有抑制甚至毒性作用時，可以采用補料分批發酵的方式控制該組分的濃度水平。青霉素發酵是一個很好的例子。苯乙酸鈉是生物合成青霉素的前體，但是它對產黃青霉具有抑制作用，采用少量多次或者連續的補入苯乙酸鈉，使它在培養液中的濃度維持在發生抑制作用的水平以下。而且這樣做也可以使前體的羥基化降低到最低限度，同時也使之最大限度地摻入到產物分子中去。又如，在谷氨酸發酵中，如果是采用傳統的高濃度分批發酵，最好也改為采用緩慢地補料分批發酵，使那些能抑制菌體生長和谷氨酸合成的培養基組分濃度控制在發生抑制作用水平以下，使其在作為底物時能夠及時的被消耗，以利于發酵產物的合成。

       綜上所述，補料分批發酵通過其精準的調控能力，在解決底物抑制、分解阻遏及供氧平衡等關鍵問題上展現出巨大優勢。從文中案例可以看出，不同發酵品種的補料策略在核心原理和控制思路上具有高度的相通性。例如，面包酵母發酵中通過監測尾氣乙醇來控制補糖率，與青霉素發酵中通過監測溶解氧和pH來調控葡萄糖及前體的流加，其本質都是通過實時反饋來維持發酵過程處于最優的“半穩態”。

       因此，在實踐中，一個成功品種的補料控制邏輯、參數監測方案以及應對抑制性底物的策略，完全可以作為其他相似代謝類型發酵過程的重要參考和借鑒。這種跨品種的經驗移植與方法融合，將極大地有助于我們跳出單一產品的局限，系統性地設計和優化補料工藝，從而更快、更高效地找到適用于特定生產目標的最優發酵方式。