連續(xù)發(fā)酵在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用：優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)與發(fā)展前景

工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)發(fā)酵應(yīng)用的是借助其高效穩(wěn)定且易自動(dòng)化控制特性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、成本降低與生產(chǎn)規(guī)模化、持續(xù)化。

      Hospodka（1966）認(rèn)為，連續(xù)發(fā)酵比分批發(fā)酵具有更大的生產(chǎn)能力，連續(xù)發(fā)酵操作具有均一性、生產(chǎn)穩(wěn)定性和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，但染菌機(jī)會(huì)和菌種退化的可能性也大大增加。

      該公式通過計(jì)算“最大菌濃度與初始菌濃度的差值”和“發(fā)酵終點(diǎn)時(shí)間與起始時(shí)間的差值”的比值，得到分批發(fā)酵過程中單位時(shí)間內(nèi)菌體的凈增長(zhǎng)量，以此衡量分批發(fā)酵的菌體生產(chǎn)效率。

       該公式通過考慮稀釋率、穩(wěn)態(tài)菌濃度，以及連續(xù)培養(yǎng)前的非生產(chǎn)時(shí)間與穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的比例關(guān)系，計(jì)算連續(xù)發(fā)酵過程中單位時(shí)間內(nèi)的菌體輸出量，以此衡量連續(xù)發(fā)酵的菌體生產(chǎn)效率。其中， DX  是穩(wěn)態(tài)下單位時(shí)間的菌體生成量，分母  1 - tiii/T  用于修正連續(xù)培養(yǎng)前非生產(chǎn)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響，最終反映連續(xù)發(fā)酵在扣除前期準(zhǔn)備時(shí)間后的實(shí)際菌體生產(chǎn)能力。

在穩(wěn)態(tài)連續(xù)培養(yǎng)時(shí)稀釋率對(duì)菌體產(chǎn)量的影響

（橫坐標(biāo)：稀釋率D；縱坐標(biāo)：菌體產(chǎn)率）

       菌體產(chǎn)率DX隨著稀釋率的增加而增加，直到一個(gè)最大值，這之后隨D的增加而下降（上圖），故連續(xù)發(fā)酵中可采用能達(dá)到最大菌體生產(chǎn)率DX的稀釋速率。

       用上面第一個(gè)公式所表示的分批發(fā)酵的產(chǎn)量是發(fā)酵全程的平均值，由于菌體生產(chǎn)率依賴于初始菌體量，而大部分菌體是在發(fā)酵過程產(chǎn)生。所以，分批發(fā)酵時(shí)的最大菌體生產(chǎn)能力是出現(xiàn)于發(fā)酵終點(diǎn)。

       然而在連續(xù)培養(yǎng)時(shí)，以最適稀釋率使培養(yǎng)處于穩(wěn)態(tài)條件下，則細(xì)胞的生產(chǎn)能力成為一個(gè)常數(shù)。因此，連續(xù)發(fā)酵的生產(chǎn)能力必然大于分批發(fā)酵。一個(gè)連續(xù)發(fā)酵過程可以連續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間（幾周甚至幾個(gè)月），全過程中非生產(chǎn)時(shí)間只占很小的比例。而在分批發(fā)酵時(shí)全程的操作時(shí)間較為有限，其非生產(chǎn)時(shí)間占有顯著的比例。所以，分批發(fā)酵的生產(chǎn)效率相對(duì)來講要低得多。

     目前，連續(xù)發(fā)酵技術(shù)已在多產(chǎn)品中落地應(yīng)用，成功生產(chǎn)出乙醇、微生物蛋白、有機(jī)酸等。主要應(yīng)用領(lǐng)域是菌種穩(wěn)定性較強(qiáng)的傳統(tǒng)發(fā)酵領(lǐng)域，其核心優(yōu)勢(shì)在于能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)周甚至更久，大幅縮短非生產(chǎn)時(shí)間，顯著提升了工業(yè)生產(chǎn)效率。

       基因工程菌因?yàn)槠溥z傳穩(wěn)定性相對(duì)較差，目前主要還是采用補(bǔ)料分批發(fā)酵或者叫半連續(xù)發(fā)酵。但未來也可以通過基因改造，使菌株不僅耐受性更強(qiáng)、不易退化，還能有效抵御雜菌污染，避免發(fā)酵過程中斷，為連續(xù)發(fā)酵的長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)提供可能。

      總體來看，連續(xù)發(fā)酵技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)模式中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于適合的產(chǎn)品，從傳統(tǒng)分批發(fā)酵的低效模式，轉(zhuǎn)向“流水線”般高效、自動(dòng)化的新生產(chǎn)方式是一種進(jìn)步。隨著菌種改造技術(shù)與發(fā)酵控制水平的持續(xù)進(jìn)步，該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景將有進(jìn)一步拓展的可能，未來發(fā)展前景十分廣闊。