發酵技術進階：補料分批發酵的分類體系與動力學原理拆解

補料分批發酵巧妙地平衡了產量、控制難度與生產成本，在避免分批發酵營養耗竭與連續發酵技術風險的同時，實現了比兩者更高的產物濃度和生產靈活性。

       接下來，我們將深入剖析補料分批發酵的動力學模型，探究其背后的科學原理與調控機制，為進一步理解和應用這一發酵技術奠定理論基礎。

      Yoshida 等（1973）首先發展了補料分批發酵，即在分批發酵過程中補充培養基，而不從發酵體系中排出發酵液，使發酵液的體積隨著發酵時間延長逐漸增加。該發酵方式介于分批發酵和連續發酵之間。如果在發酵過程中每隔一定時間，取出一定體積的發酵液，同時在同一時間間隔內加入相等體積的培養基，如此反復進行的發酵，這種方式稱為重復補料分批發酵或半連續發酵。

       按照補料方式可分為：連續流加、不連續流加和多周期流加。這是一種簡單的分類方式，這三種方式的區別主要在于補料的時間連續性和策略復雜性上：連續流加是穩定地滴加；不連續流加是分幾次加入；多周期流加則是分階段、有計劃地進行多次補料操作。

      按照流加方式可以分為：快速流加、恒速流加、指數速率流加和變速流加。快速流加是在短時間內投入大量培養基，會導致底物濃度急劇升高；恒速流加則以固定不變的速率補料，操作簡單但因發酵液體積增大實際稀釋率會逐漸降低；指數速率流加是通過隨時間指數性增加流加速率，來維持菌體的比生長速率恒定，常用于高密度培養；而變速流加則最為靈活，它根據發酵過程中的實時參數（如溶氧、pH等）動態調整流加速率，以優化整個發酵過程。

      按照反應器中發酵液體積可以分為：變體積和恒體積。變體積是指在補料過程中，只向發酵罐內添加新鮮培養基，但不排出發酵液，導致發酵液的總體積隨著時間不斷增加。這是最常見和典型的補料分批發酵模式。恒體積是指在補料過程中，雖然會添加新鮮培養基，但會通過某種方式（如排出等體積的發酵液或過濾）維持發酵液的總體積基本不變。這種方式通常是為了在補充營養的同時，避免有害代謝物的過度積累。

       按照反應器數目可分為：單級和多級。單級補料發酵是指整個補料培養過程僅在一個反應器（發酵罐）內完成。這是最簡單、最常見的操作方式，所有步驟（接種、生長、補料、產物合成）都在同一個容器中進行。多級補料發酵則涉及兩個或兩個以上串聯的反應器。菌體或發酵液會從一個反應器轉移到下一個反應器中，并在后續反應器中繼續進行補料和培養。這種方式可以實現過程的階段化優化，例如在一個罐中主要進行菌體生長，在另一個罐中控制條件進行目標產物的合成。

       按照補加培養基成分可分為：單一組分補料和多組分補料。單一組分補料是指只向發酵罐中補加一種關鍵的限制性營養物質（最常見的是葡萄糖等碳源）。這種方法目標明確，主要用于控制比生長速率或避免底物抑制效應。多組分補料則是同時向發酵罐中補加兩種或兩種以上的營養物質（如碳源、氮源、無機鹽等）。這種方法能更全面地維持培養基的平衡，滿足菌體在不同生長階段對多種營養的需求。

       當S≈0時，最終的菌體濃度可以成為Xm，此時接種菌體量X?與Xm相比可以忽略不計，則上式可變為：

       如果在Xt = Xm時開始補加培養基，這時的稀釋率小于μm，實際上底物的消耗速率接近于補入發酵罐的新鮮培養基速率。

      公式左邊 FSR 代表單位時間內補入的底物總量。公式右邊 μX / Yx/s 代表單位時間內菌體消耗的底物總量。這個等式說明，當補料速率設置得當時，補進去的底物剛好被菌體用完，因此發酵液中的底物濃度和菌體濃度能維持在一個相對穩定的狀態。

       從上式可以計算出加入的底物量與被細胞消耗的底物量相等。因此（dS/dt)≈0，雖然細胞的總量（X）隨著時間的延長而增加，然而細胞濃度（X）實際上仍為一個常數，即（dX/dt)≈0，所以，μ≈D（D為稀釋率），這種狀態稱為半穩態。隨著時間的推移，由于發酵體積增加，即使補料速率不變，稀釋率也相對下降。

       這個公式計算的是在變體積補料發酵中，稀釋率 D 隨時間的變化。稀釋率 D 定義為流加速率 F 除以發酵液的實際體積。由于在補料過程中體積不斷增大（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 也會隨著時間的推移而逐漸減小。這個公式清晰地表達了這種動態變化關系。

       補料分批發酵模式既突破了分批發酵的底物限制，又規避了連續發酵的染菌及菌種退化風險，而且也可以通過精準的動力學調控實現了菌體生長與產物合成的優化平衡。無論是生物醫藥的高附加值產物，還是食品、化工的規模化生產，補料分批發酵都憑借其靈活的操作策略與扎實的理論支撐，成為提升發酵效率、突破產能瓶頸的核心技術之一。