發(fā)酵技術(shù)進階：補料分批發(fā)酵的分類體系與動力學(xué)原理拆解
補料分批發(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)酵營養(yǎng)耗竭與連續(xù)發(fā)酵技術(shù)風(fēng)險的同時，實現(xiàn)了比兩者更高的產(chǎn)物濃度和生產(chǎn)靈活性。
接下來，我們將深入剖析補料分批發(fā)酵的動力學(xué)模型，探究其背后的科學(xué)原理與調(diào)控機制，為進一步理解和應(yīng)用這一發(fā)酵技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。
Yoshida 等（1973）首先發(fā)展了補料分批發(fā)酵，即在分批發(fā)酵過程中補充培養(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)酵時間延長逐漸增加。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)酵過程中每隔一定時間，取出一定體積的發(fā)酵液，同時在同一時間間隔內(nèi)加入相等體積的培養(yǎng)基，如此反復(fù)進行的發(fā)酵，這種方式稱為重復(fù)補料分批發(fā)酵或半連續(xù)發(fā)酵。
按照補料方式可分為：連續(xù)流加、不連續(xù)流加和多周期流加。這是一種簡單的分類方式，這三種方式的區(qū)別主要在于補料的時間連續(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(shù)速率流加和變速流加?？焖倭骷邮窃诙虝r間內(nèi)投入大量培養(yǎng)基，會導(dǎo)致底物濃度急劇升高；恒速流加則以固定不變的速率補料，操作簡單但因發(fā)酵液體積增大實際稀釋率會逐漸降低；指數(shù)速率流加是通過隨時間指數(shù)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(yǎng)；而變速流加則最為靈活，它根據(jù)發(fā)酵過程中的實時參數(shù)（如溶氧、pH等）動態(tài)調(diào)整流加速率，以優(yōu)化整個發(fā)酵過程。
按照反應(yīng)器中發(fā)酵液體積可以分為：變體積和恒體積。變體積是指在補料過程中，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間不斷增加。這是最常見和典型的補料分批發(fā)酵模式。恒體積是指在補料過程中，雖然會添加新鮮培養(yǎng)基，但會通過某種方式（如排出等體積的發(fā)酵液或過濾）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充營養(yǎng)的同時，避免有害代謝物的過度積累。
按照反應(yīng)器數(shù)目可分為：單級和多級。單級補料發(fā)酵是指整個補料培養(yǎng)過程僅在一個反應(yīng)器（發(fā)酵罐）內(nèi)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(chǎn)物合成）都在同一個容器中進行。多級補料發(fā)酵則涉及兩個或兩個以上串聯(lián)的反應(yīng)器。菌體或發(fā)酵液會從一個反應(yīng)器轉(zhuǎn)移到下一個反應(yīng)器中，并在后續(xù)反應(yīng)器中繼續(xù)進行補料和培養(yǎng)。這種方式可以實現(xiàn)過程的階段化優(yōu)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(biāo)產(chǎn)物的合成。
按照補加培養(yǎng)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(fā)酵罐中補加一種關(guān)鍵的限制性營養(yǎng)物質(zhì)（最常見的是葡萄糖等碳源）。這種方法目標(biāo)明確，主要用于控制比生長速率或避免底物抑制效應(yīng)。多組分補料則是同時向發(fā)酵罐中補加兩種或兩種以上的營養(yǎng)物質(zhì)（如碳源、氮源、無機鹽等）。這種方法能更全面地維持培養(yǎng)基的平衡，滿足菌體在不同生長階段對多種營養(yǎng)的需求。
當(dāng)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?yōu)椋?/span>
如果在Xt = Xm時開始補加培養(yǎng)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(fā)酵罐的新鮮培養(yǎng)基速率。
公式左邊 FSR 代表單位時間內(nèi)補入的底物總量。公式右邊 μX / Yx/s 代表單位時間內(nèi)菌體消耗的底物總量。這個等式說明，當(dāng)補料速率設(shè)置得當(dāng)時，補進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相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
從上式可以計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）隨著時間的延長而增加，然而細(xì)胞濃度（X）實際上仍為一個常數(shù)，即（dX/dt)≈0，所以，μ≈D（D為稀釋率），這種狀態(tài)稱為半穩(wěn)態(tài)。隨著時間的推移，由于發(fā)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(fā)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(fā)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(dá)了這種動態(tài)變化關(guān)系。
補料分批發(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，而且也可以通過精準(zhǔn)的動力學(xué)調(diào)控實現(xiàn)了菌體生長與產(chǎn)物合成的優(yōu)化平衡。無論是生物醫(yī)藥的高附加值產(chǎn)物，還是食品、化工的規(guī)?；a(chǎn)，補料分批發(fā)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(fā)酵效率、突破產(chǎn)能瓶頸的核心技術(shù)之一。
