補(bǔ)料分批發(fā)酵：既解底物抑制，又穩(wěn)菌種狀態(tài)，它是如何實(shí)現(xiàn)的

      補(bǔ)料分批發(fā)酵通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)料，將底物濃度精準(zhǔn)控制在最優(yōu)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(yīng)，從而大幅提高產(chǎn)量。

1. 補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)

①可以解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應(yīng)。

②避免在分批發(fā)酵中一次性投料過多造成細(xì)胞大量生長，耗氧過多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況。

③菌體可被控制在一系列連續(xù)的過渡態(tài)階段，可用來作為控制細(xì)胞質(zhì)量的手段。

④與連續(xù)發(fā)酵相比，補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)在于：無菌要求低；菌種變異退化少；適用范圍更廣。

2.補(bǔ)料分批發(fā)酵的應(yīng)用

       在發(fā)酵工業(yè)中，采用補(bǔ)料分批發(fā)酵可以使底物的殘留濃度保持在較低的水平，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 

（1）利用補(bǔ)料分批發(fā)酵可解除底物分解阻遏作用，同時(shí)可保障通氣條件和生產(chǎn)能力

       在以酵母菌體為產(chǎn)物的發(fā)酵中，如果培養(yǎng)基中含有過量的麥芽，酵母就會(huì)大量繁殖，其菌體濃度一旦超過了設(shè)備的供氧能力，就會(huì)形成厭氧環(huán)境，進(jìn)而影響了菌體的形成，產(chǎn)生乙醇。因此，微生物發(fā)酵初期應(yīng)在較稀的培養(yǎng)基中生長，然后逐漸補(bǔ)料，但是補(bǔ)料率應(yīng)不大于微生物利用底物的能力，使這個(gè)過程以以上描述的半穩(wěn)態(tài)，即處于底物限制性發(fā)酵狀態(tài)。

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

      青霉素發(fā)酵是利用補(bǔ)料分批發(fā)酵方法生產(chǎn)次級代謝產(chǎn)物的一個(gè)很好的例子。發(fā)酵全過程分為兩個(gè)時(shí)期，即菌體快速生長期和菌體緩慢生長期（或稱為生產(chǎn)期）。補(bǔ)入葡萄糖以控制這兩個(gè)時(shí)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(jī)酸的積累，并且使菌體對氧的需求量超過發(fā)酵罐的供氧能力。但是葡萄糖的缺乏又會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基中的有限氮源作為碳源消耗，促使培養(yǎng)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(jì)算機(jī)控制葡萄糖補(bǔ)料速度，使溶解氧或pH保持在一定范圍內(nèi)，可以明顯的增加生產(chǎn)能力。當(dāng)葡萄糖過量時(shí)，由于增加了呼吸速率和有機(jī)酸產(chǎn)量，發(fā)酵液中的溶解氧和pH都會(huì)大大地下降。

       青霉素發(fā)酵生產(chǎn)期的補(bǔ)料率，要能限制生長率并有適當(dāng)濃度的溶解氧，才能獲得高的青霉素生產(chǎn)率。在生產(chǎn)期控制溶解氧比pH更好，因?yàn)閜H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(bǔ)料分批發(fā)酵中，總補(bǔ)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(fā)酵過程中，降低補(bǔ)糖率，可以使限制性因素的作用推遲出現(xiàn)，并可用計(jì)算機(jī)予以控制。在青霉素補(bǔ)料分批發(fā)酵中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由于不斷地間歇補(bǔ)料，造成發(fā)酵罐中的發(fā)酵液體積不斷增加，達(dá)到了其最大裝液量，而青霉素生產(chǎn)率還處于高峰，此時(shí)要保持生產(chǎn)能力的方法就是從發(fā)酵罐中放出一部分發(fā)酵液，再繼續(xù)補(bǔ)料，以進(jìn)一步提高青霉素發(fā)酵產(chǎn)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(gè)現(xiàn)象應(yīng)避免出現(xiàn)在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中，而補(bǔ)料分批發(fā)酵的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，就是可以防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，采取向發(fā)酵液中不斷補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的方法，就能夠保證碳源濃度始終達(dá)不到分解物阻遏作用的閾值。

（2）利用補(bǔ)料分批發(fā)酵可以降低高濃度培養(yǎng)基的抑制作用并延長發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)間

       如果培養(yǎng)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(shí)，可以采用補(bǔ)料分批發(fā)酵的方式控制該組分的濃度水平。青霉素發(fā)酵是一個(gè)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(chǎn)黃青霉具有抑制作用，采用少量多次或者連續(xù)的補(bǔ)入苯乙酸鈉，使它在培養(yǎng)液中的濃度維持在發(fā)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(shí)也使之最大限度地?fù)饺氲疆a(chǎn)物分子中去。又如，在谷氨酸發(fā)酵中，如果是采用傳統(tǒng)的高濃度分批發(fā)酵，最好也改為采用緩慢地補(bǔ)料分批發(fā)酵，使那些能抑制菌體生長和谷氨酸合成的培養(yǎng)基組分濃度控制在發(fā)生抑制作用水平以下，使其在作為底物時(shí)能夠及時(shí)的被消耗，以利于發(fā)酵產(chǎn)物的合成。

       綜上所述，補(bǔ)料分批發(fā)酵通過其精準(zhǔn)的調(diào)控能力，在解決底物抑制、分解阻遏及供氧平衡等關(guān)鍵問題上展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。從文中案例可以看出，不同發(fā)酵品種的補(bǔ)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(fā)酵中通過監(jiān)測尾氣乙醇來控制補(bǔ)糖率，與青霉素發(fā)酵中通過監(jiān)測溶解氧和pH來調(diào)控葡萄糖及前體的流加，其本質(zhì)都是通過實(shí)時(shí)反饋來維持發(fā)酵過程處于最優(yōu)的“半穩(wěn)態(tài)”。

       因此，在實(shí)踐中，一個(gè)成功品種的補(bǔ)料控制邏輯、參數(shù)監(jiān)測方案以及應(yīng)對抑制性底物的策略，完全可以作為其他相似代謝類型發(fā)酵過程的重要參考和借鑒。這種跨品種的經(jīng)驗(yàn)移植與方法融合，將極大地有助于我們跳出單一產(chǎn)品的局限，系統(tǒng)性地設(shè)計(jì)和優(yōu)化補(bǔ)料工藝，從而更快、更高效地找到適用于特定生產(chǎn)目標(biāo)的最優(yōu)發(fā)酵方式。