分批、补料分批与连续发酵的对比与选择

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工业发酵技术是现代生物工程的重要组成部分，其发展历程经历了从分批发酵到补料分批发酵，再到连续发酵的演变。这三种发酵方式是工业发酵生产中最常见的分类，它们的发展都是为了不断提升生产力。

接下来，我们将逐一探讨这三种发酵方式的特点。首先是分批发酵，也被称为分批培养或批式发酵。它是在一个封闭系统中进行的，其中初始基质量是限定的。这意味着，分批发酵以微生物的一个完整生长周期为一个生产周期，涵盖了设备的灭菌、种子培养以及发酵操作等多个环节。尽管这种方式在传统发酵中非常普遍，但其发酵过程相对封闭，与外界无物料交换，且过程中微生物所处环境不断变化，使得整个发酵过程呈现不稳定性。

在分批发酵的生长曲线中，我们可以清晰地看到微生物的生长阶段：停滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期。这些阶段的变化不仅影响着发酵产物的质量，也揭示了微生物生长的内在规律。

分批培养过程中的细菌生长曲线及各阶段特征
在分批培养过程中，细菌的生长曲线呈现出典型的阶段特征。这些阶段包括停滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期，每个阶段都伴随着细菌细胞特征的变化。这些变化不仅反映了微生物的生长动态，也直接影响着发酵产物的品质和产量。通过观察和了解这些特征，我们可以更好地控制发酵过程，优化生产条件，从而提升工业发酵的效率和质量。

发酵工业中常用的分批发酵技术是单罐深层分批发酵法。
其操作流程如下：

首先启动种子培养系统，进行摇瓶种子制备。与此同时，开始准备主发酵罐，并对大型发酵罐进行实罐灭菌或连续灭菌。

当种子培养完成，将其转移至发酵罐中开始发酵。在此过程中，需要启动搅拌和通气设备，并严格控制温度、pH值、溶氧量等关键工艺参数。同时，根据需要适时补料。当发酵达到预定终点时，停止发酵，将发酵液送至提取、精制工段进行后续处理。

完成处理后，需要对发酵罐进行彻底清洗，为下一批次的生产做好准备。典型的分批培养发酵工艺流程如上图所示。

典型分批发酵工艺流程图

分批式发酵的操作时间由两部分组成：一是发酵所需时间，即从接种到发酵结束的时间；二是辅助操作时间，包括投料、灭菌、冷却、清洗和打压试漏等，这些时间总和构成一个发酵周期。

分批发酵的优点包括

操作简单，无需在发酵过程中加入除氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱以外的其他物质；微生物培养可靠且安全，操作引起的染菌概率低，不会出现菌种老化和变异等问题；同时，微生物各阶段的生理和代谢特征不同，易于控制。

分批发酵也存在一些缺点

培养基中的底物浓度较高，增加了渗透压，对微生物生长不利；非生产时间长，设备利用率低；每次发酵都需要重复进行，造成时间、原材料和能量的浪费；底物利用率低，因为分批发酵过程中存在微生物自身的增殖，会消耗一定量的底物；此外，由于过程没有补加碳源和氮源，与补料分批发酵相比，培养过程中可能出现的底物抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遇等问题，会影响菌体的生长代谢。

在分批发酵过程中，微生物经历了不同的变化阶段，这些变化进程不仅受到菌体本身特性的影响，还受到周围环境因素的影响。因此，正确认识和掌握这些变化过程对于控制发酵生产至关重要。

补料分批发酵，又称流加式发酵

是在分批式操作的基础上发展起来的。它通过在发酵过程的一定时期补加碳源或氮源或其他必需物质来优化发酵过程。补料的目的在于满足菌体合成代谢产物的营养需求，从而最大化产率。补料分批发酵结合了分批发酵与连续发酵的优点，既保证了发酵的稳定性和可控性，又提高了底物利用率和产量。这种技术在抗生素、氨基酸、酶制剂、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产中得到了广泛应用。
补料发酵过程中，需要配备相应的补料罐，其容积大小需根据流加物料的量来确定。通常，除了少数如流加氨水等特殊情况外，所有流加的物料及其管道都必须经过灭菌处理，以确保在物料流加过程中不会引入发酵染菌。相较于传统的分批发酵和连续发酵，补料分批发酵技术展现出了显著的优越性，具体优点可见下表。

其缺点是存在非生产时间，即分批准备时间，且相较于分批发酵，连续发酵过程中需频繁流加新鲜培养基，这增加了染菌的风险。

连续发酵，又称连续培养

是一种特殊的发酵方式。在此过程中，培养基料液被连续输入发酵罐，同时放出相同体积的含有产品的发酵液，从而维持发酵罐内料液量的恒定。微生物在近乎恒定的环境（如恒定的基质浓度、产物浓度、pH值、菌体浓度以及比生长速率）下进行生长。

连续发酵的优点在于其能维持较低的基质浓度，提高设备利用率和单位时间的产量，同时便于自动控制。此外，它还能长期连续进行，生产能力可达间歇发酵的数倍，因此被认为是发酵生产的发展方向。

然而，目前采用连续发酵进行大规模生产仍面临一些挑战。其中，长期连续操作时的杂菌污染控制和微生物菌种的变异是两个难以解决的问题。此外，连续发酵的工艺变量相较于分批发酵更为复杂，控制和扩大生产规模也更为困难。

尽管如此，连续发酵在实验室中常被用于发酵动力学研究。在工业发酵生产中，由于实际问题的存在，如菌种衰退和杂菌污染等，分批发酵或补料分批发酵这两种方式仍然占据主导地位。

值得注意的是，尽管连续发酵在生产中应用有限，但其使用的反应器技术，如搅拌罐式反应器和管式反应器，仍具有重要的理论和实践意义。这些反应器技术不仅可用于实验研究，还可为未来工业生产提供新的思路和可能性。

罐式连续发酵系统

如图（1）中虚线部分所示，是一种带有循环系统的连续发酵方式。该系统主要包括发酵罐和细胞分离器。尽管连续发酵在理论上具有诸多优势，如维持较低的基质浓度、提高设备利用率和单位时间产量等，但在实际工业生产中，由于菌种衰退和杂菌污染等问题的存在，补料分批发酵仍占据主导地位。

然而，这并不意味着连续发酵没有发展前景。相反，连续发酵作为一种理想的生产状态和生产发展方向，其使用的反应器技术，如搅拌罐式反应器和管式反应器，仍具有重要的理论和实践意义。这些反应器技术不仅可用于实验研究，还可为未来工业生产提供新的思路和可能性。

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