發(fā)酵技術(shù)進(jìn)階：補(bǔ)料分批發(fā)酵的分類(lèi)體系與動(dòng)力學(xué)原理拆解

補(bǔ)料分批發(fā)酵巧妙地平衡了產(chǎn)量、控制難度與生產(chǎn)成本，在避免分批發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)耗竭與連續(xù)發(fā)酵技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了比兩者更高的產(chǎn)物濃度和生產(chǎn)靈活性。

       接下來(lái)，我們將深入剖析補(bǔ)料分批發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)模型，探究其背后的科學(xué)原理與調(diào)控機(jī)制，為進(jìn)一步理解和應(yīng)用這一發(fā)酵技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

      Yoshida 等（1973）首先發(fā)展了補(bǔ)料分批發(fā)酵，即在分批發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)充培養(yǎng)基，而不從發(fā)酵體系中排出發(fā)酵液，使發(fā)酵液的體積隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加。該發(fā)酵方式介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間。如果在發(fā)酵過(guò)程中每隔一定時(shí)間，取出一定體積的發(fā)酵液，同時(shí)在同一時(shí)間間隔內(nèi)加入相等體積的培養(yǎng)基，如此反復(fù)進(jìn)行的發(fā)酵，這種方式稱(chēng)為重復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵或半連續(xù)發(fā)酵。

       按照補(bǔ)料方式可分為：連續(xù)流加、不連續(xù)流加和多周期流加。這是一種簡(jiǎn)單的分類(lèi)方式，這三種方式的區(qū)別主要在于補(bǔ)料的時(shí)間連續(xù)性和策略復(fù)雜性上：連續(xù)流加是穩(wěn)定地滴加；不連續(xù)流加是分幾次加入；多周期流加則是分階段、有計(jì)劃地進(jìn)行多次補(bǔ)料操作。

      按照流加方式可以分為：快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加和變速流加。快速流加是在短時(shí)間內(nèi)投入大量培養(yǎng)基，會(huì)導(dǎo)致底物濃度急劇升高；恒速流加則以固定不變的速率補(bǔ)料，操作簡(jiǎn)單但因發(fā)酵液體積增大實(shí)際稀釋率會(huì)逐漸降低；指數(shù)速率流加是通過(guò)隨時(shí)間指數(shù)性增加流加速率，來(lái)維持菌體的比生長(zhǎng)速率恒定，常用于高密度培養(yǎng)；而變速流加則最為靈活，它根據(jù)發(fā)酵過(guò)程中的實(shí)時(shí)參數(shù)（如溶氧、pH等）動(dòng)態(tài)調(diào)整流加速率，以?xún)?yōu)化整個(gè)發(fā)酵過(guò)程。

      按照反應(yīng)器中發(fā)酵液體積可以分為：變體積和恒體積。變體積是指在補(bǔ)料過(guò)程中，只向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，但不排出發(fā)酵液，導(dǎo)致發(fā)酵液的總體積隨著時(shí)間不斷增加。這是最常見(jiàn)和典型的補(bǔ)料分批發(fā)酵模式。恒體積是指在補(bǔ)料過(guò)程中，雖然會(huì)添加新鮮培養(yǎng)基，但會(huì)通過(guò)某種方式（如排出等體積的發(fā)酵液或過(guò)濾）維持發(fā)酵液的總體積基本不變。這種方式通常是為了在補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)，避免有害代謝物的過(guò)度積累。

       按照反應(yīng)器數(shù)目可分為：?jiǎn)渭?jí)和多級(jí)。單級(jí)補(bǔ)料發(fā)酵是指整個(gè)補(bǔ)料培養(yǎng)過(guò)程僅在一個(gè)反應(yīng)器（發(fā)酵罐）內(nèi)完成。這是最簡(jiǎn)單、最常見(jiàn)的操作方式，所有步驟（接種、生長(zhǎng)、補(bǔ)料、產(chǎn)物合成）都在同一個(gè)容器中進(jìn)行。多級(jí)補(bǔ)料發(fā)酵則涉及兩個(gè)或兩個(gè)以上串聯(lián)的反應(yīng)器。菌體或發(fā)酵液會(huì)從一個(gè)反應(yīng)器轉(zhuǎn)移到下一個(gè)反應(yīng)器中，并在后續(xù)反應(yīng)器中繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)料和培養(yǎng)。這種方式可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的階段化優(yōu)化，例如在一個(gè)罐中主要進(jìn)行菌體生長(zhǎng)，在另一個(gè)罐中控制條件進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)物的合成。

       按照補(bǔ)加培養(yǎng)基成分可分為：?jiǎn)我唤M分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料。單一組分補(bǔ)料是指只向發(fā)酵罐中補(bǔ)加一種關(guān)鍵的限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（最常見(jiàn)的是葡萄糖等碳源）。這種方法目標(biāo)明確，主要用于控制比生長(zhǎng)速率或避免底物抑制效應(yīng)。多組分補(bǔ)料則是同時(shí)向發(fā)酵罐中補(bǔ)加兩種或兩種以上的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽等）。這種方法能更全面地維持培養(yǎng)基的平衡，滿(mǎn)足菌體在不同生長(zhǎng)階段對(duì)多種營(yíng)養(yǎng)的需求。

       當(dāng)S≈0時(shí)，最終的菌體濃度可以成為Xm，此時(shí)接種菌體量X?與Xm相比可以忽略不計(jì)，則上式可變?yōu)椋?/span>

       如果在Xt = Xm時(shí)開(kāi)始補(bǔ)加培養(yǎng)基，這時(shí)的稀釋率小于μm，實(shí)際上底物的消耗速率接近于補(bǔ)入發(fā)酵罐的新鮮培養(yǎng)基速率。

      公式左邊 FSR 代表單位時(shí)間內(nèi)補(bǔ)入的底物總量。公式右邊 μX / Yx/s 代表單位時(shí)間內(nèi)菌體消耗的底物總量。這個(gè)等式說(shuō)明，當(dāng)補(bǔ)料速率設(shè)置得當(dāng)時(shí)，補(bǔ)進(jìn)去的底物剛好被菌體用完，因此發(fā)酵液中的底物濃度和菌體濃度能維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

       從上式可以計(jì)算出加入的底物量與被細(xì)胞消耗的底物量相等。因此（dS/dt)≈0，雖然細(xì)胞的總量（X）隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，然而細(xì)胞濃度（X）實(shí)際上仍為一個(gè)常數(shù)，即（dX/dt)≈0，所以，μ≈D（D為稀釋率），這種狀態(tài)稱(chēng)為半穩(wěn)態(tài)。隨著時(shí)間的推移，由于發(fā)酵體積增加，即使補(bǔ)料速率不變，稀釋率也相對(duì)下降。

       這個(gè)公式計(jì)算的是在變體積補(bǔ)料發(fā)酵中，稀釋率 D 隨時(shí)間的變化。稀釋率 D 定義為流加速率 F 除以發(fā)酵液的實(shí)際體積。由于在補(bǔ)料過(guò)程中體積不斷增大（從初始體積 V? 增加到 V? + Ft），因此即使流加速率 F 保持不變，稀釋率 D 也會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸減小。這個(gè)公式清晰地表達(dá)了這種動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。

       補(bǔ)料分批發(fā)酵模式既突破了分批發(fā)酵的底物限制，又規(guī)避了連續(xù)發(fā)酵的染菌及菌種退化風(fēng)險(xiǎn)，而且也可以通過(guò)精準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成的優(yōu)化平衡。無(wú)論是生物醫(yī)藥的高附加值產(chǎn)物，還是食品、化工的規(guī)模化生產(chǎn)，補(bǔ)料分批發(fā)酵都憑借其靈活的操作策略與扎實(shí)的理論支撐，成為提升發(fā)酵效率、突破產(chǎn)能瓶頸的核心技術(shù)之一。