補料分批發酵

由於分批發酵操研究起來相對作簡單，因此對代謝物的生產的研究絕大部分是在分批發酵的基礎上進行的。由於分批發酵過程中營養物質不斷消耗，產生大量的代謝副產物，生存環境也越來越惡劣，這幾個因索互相交織在一起限制了苗體的生長和目標代謝產物的合成，因此生產效率不高，而且分批發酵是一次投料，一次發酵，再次發酵又要重新滅菌，接種，發酵，發酵設備的利用率低。正是基於分批發酵的這些缺點，近幾年才有學者研究如何利用補料分批發酵技術生產代謝物產物。補料分批發酵（Fed-Batch Culture，FBC）又稱"半連續發酵"或者"流加發酵"，是指在微生物分批發酵過程中，以某種方式向發酵系統中補加某種營養物質或者全培養基，但並不連續地向外放出發酵液的發酵技術。補料分批發酵的理論研究在20世紀70年代以前幾乎是個空白，在早期的工業生產中，補料的方式非常簡單，採用的方式就僅僅侷限於間歇流加和恆速流加，控制發酵也是以經驗為主。直到1973年日本學者Yoshida等人提出了“Fed-batch fermentation”這個術語，並從理論上建立了第一個數學模型，補料分批發酵的研究才進入理論研究階段。其後，隨着研究的不斷深入，補料分批發酵在三個方面取得了重大的進展。近年來更隨着理論研究和應用的不斷深入，流加發酵的內容大大豐富了。補料分批發酵和傳統的分批發酵相比，流加發酵可以解除底物抑制、葡萄糖效應、代謝阻退等問題，得到較高的轉化率、染菌和退化的概率小、對發酵過程可實現優化控制等優點。應用範圍非常廣泛，幾乎遍及整個發酵行業。 ^[1-2] 

（1）高濃度的底物會對微生物的生長起到抑制作用，如果採用分批發酵的方式生產代謝產物，發酵體系中營養物質的濃度不會很高，營養物質的不足限制了菌體和代謝產物的形成，因而產率低。而補料分批發酵是先在營養物質濃度比較低的情況下進行發酵，隨後不斷補加新鮮營養物質，使得茜體正常生長並不斷積累代謝產物，從而可以避免分批發酵中一次性投料過多而引起的底物抑制效應。

（2）由於補料分批發酵的過釋中可以不斷補加營養物質，在充足的營養條件條件下，菌體可以大量生長繁殖，因此若對培養基成分、發酵條件、補料工藝等進行研究並不斷改善，可以實現細胞高密度培養這一目的，這對於某些不需要微生物代謝產物而希望獲得菌體本身的發酵是非常有利的。

（3）在微生物的發酵過程中往往會合成不需要的而且對菌體生長有害的代謝產物，當這些代謝產物大量積累的時候，會對菌體的生長和目標代謝產物的合成產生嚴重的抑制作用，甚至會抑制細胞的死亡，導致正常的代謝終止。補料分批發酵可以降低有毒代謝產物的濃度，減輕其對菌體的破壞。除此之外，補料還起到稀釋產物的作用，解除了產物濃度過高帶來的產物抑制效應。

（4）可以解除底物的抑制、產物的反饋抑制和分解代謝物阻遏作用。當代謝產物收率或其生產速率明顯地受某種底物組分濃度影響（如用醋酸、甲醇、苯酚等作為發酵基組分而存在底物濃度的抑制）時，採用補料分批技術比分批發酵有利；可以減少菌體生長量，提高有用產物的轉化率；菌種的變異及雜菌污染問題易控制；便於自動化控制。

補料分批發酵按不同的標準可以劃分為不同的類型。按照補料成分可以分成單組分補料和多組分補料，按發酵體積又可以劃分為變體積補料和恆體積補料，按補料時間是否連續可以劃分為間歇補料和連續補料兩種，連續補料按補料速度又可以分為恆速補料、指數補料和變速補料等。 ^[3] 

為了補加的物質能夠發揮最大的促進作用，必須對補料策略進巧深入研究。有開環控制和閉環控制兩種基本補料策略，所有的研究都是両繞它們進行的。前者主要研究補料的方式、補料時間、補料的多少以及補料速度等等，而閉環控制又稱反饋控制，分為直接法和間接法兩類。間接法主要通過一些能夠反映微生物生憐隋況的理化參數和生物參數（pH、泡沫、DO等等）來反饋發酵情況進而調整補料速率保證發酵過程正常進行，主要有DO-stat法、pH-stat法以及PQ-stat法等等。直接法顧名思義，直接以限制性基質濃度作為反饋參數，當基質濃度過低不足以提供茵體生長和代謝所需的需要時，通過控制C源、N源W及C/N等方式達到發酵持續進行的目的。由於能夠直接測定基質含量的傳感器的缺乏，因此只有極少量的底物可以在線直接測定，直接法的使用受到了很大的限制，反饋調節以間接法為主。

許多學者利用補料分批發酵技術生產代謝產物，均取得了良好效果。盧宗梅等利用補料分批發酵技術生產L-穀氨酸，利用優化後的條件進行發酵，L-穀氨酸的產量提高了30%以上。伍時華等對補料分批發酵L-亮氨酸的工藝條件進行了硏究，L-亮氨酸的最終含量也有了很大提高。潘亞磊等利用半連續發醇生產谷胱甘肽（GSH），細胞的乾重和GSH的含量分別為分批發酵的2.86倍和4.93倍。宋向陽等研究表明，以樹幹畢赤酵母為菌種，純木糖為發酵底物，通過分批補料發酵法可提高乙醇得率及糖利用率；武斌等研究也表明，以巴氏醋桿菌為菌種採用分批發酵法能明顯提高醋酸度和乙醇轉化率，縮短生產週期，節約成本。補料分批發酵技術的應用範圍十分廣泛，幾乎遍及整個發酪行業。 ^[4]