微生物发酵的一般方式有哪些？
微生物发酵方式一般分为分批发酵、连续发酵和补料分批发酵。
图1 保兴赛斯离位灭菌玻璃发酵罐
一、分批发酵
分批发酵是将发酵培养基一次性投入发酵罐中，经灭菌、接种和发酵，再一次性地将发酵液放出的一种发酵操作。分批发酵过程中，除不断通气和加入酸碱溶液以维持发酵环境外，与外界没有物料交换，减少了污染机会。其主要特征是所有工艺变量都随发酵时间的变化而变化。
分批发酵过程中的代谢变化一般可分为菌体生长，产物合成和菌体自溶3个阶段:
（1）菌体生长阶段
菌体生长阶段处于发酵前期，这一阶段主要是菌体适应新环境，开始生长繁殖，增加细胞数量，直至达到菌体临界浓度。为减少种子液转入发酵培养基后，对新环境的适应时间，种子培养基的主要成分应尽可能与发酵培养基的成分一致。
此阶段的代谢变化，主要是培养基中碳源、氮源等的分解代谢和细胞内物质的合成代谢，即营养物质不断被消耗，新菌体不断合成，溶解氧水平不断下降。当其中某一因素成为限制因素时，菌体生长速度会减慢至一临界值，菌体由生长阶段转入产物合成阶段。
（2）产物合成阶段
产物生成阶段处于发酵中期，此时菌体量增加趋于稳定，代谢以合成产物为主，产物生成速率大。发酵液pH、温度和溶氧等参数都会影响发酵过程中的代谢变化，增加副产物的生成，影响产量。保兴赛斯的生物反应系统可对一系列参数进行检测并反馈，以了解菌体生长状态，调整发酵环境。
图2 保兴赛斯控制系统
（3）菌体自溶阶段
菌体自溶阶段处于发酵后期，此阶段的代谢特征主要表现为菌体开始衰老、自溶，产物合成能力衰退，氨基氮含量增加，pH逐渐回升。此时发酵必须结束，否则不仅可能会使产物受到破坏，还会加大发酵后处理的困难。保兴赛斯生物反应器在配置相应硬件后，其高级监控软件可根据氨基氮、菌浓、发酵单位等检测数据，生成相应代谢曲线。对代谢曲线进行研究分析，能掌握代谢变化的规律，发现工艺操作中存在的问题，有助于改进工艺，提高产量。
二、连续发酵
连续发酵是当微生物培养到对数生长期时，一方面以一定速度连续不断地向发酵罐中流加新鲜液体培养基，另一方面又以同样的速度连续不断地将发酵液排出。连续发酵不仅减少了生物反应器清洗、灭菌的时间，还因罐内细胞浓度、pH值、营养成分的浓度、溶解氧等都保持一定，发酵罐中的微生物生长和代谢活动始终保持旺盛状态，这大大提高了微生物发酵效率和设备利用率。
但连续发酵的实际运行时间通常较长，选择设备时应特别注意设备的密封性能，及通入气液的无菌度。并且，长时间发酵会增加菌种变异的风险，导致纯种发酵难以长期进行。其次，由于发酵液体的连续性，发酵产物无法整齐地分成不同批次进行追溯。
图3 保兴赛斯发酵罐
三、补料分批发酵
补料分批发酵是一种介于分批发酵和连续发酵之间的发酵方式，是指在发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基，使发酵系统维持低基质浓度。补料分批发酵只向发酵罐中缓慢补加物料，不会连续向外放出发酵液，这既满足了微生物生长和产物持续合成的需要，又可以解除底物抑制，提高目的产物的转化率。尤其在产物合成阶段，营养物质的浓度需控制在一定范围内，以利于产物的合成。若营养物质过多，则促进菌体生长，抑制产物合成；若营养物质过少，则菌体易衰老，产物合成能力衰退，不利于生产。
此外，当代谢产物生成率或细胞生长速率明显受到某种底物组分浓度影响时，采用补料分批发酵方式比分批发酵有利，比如以下情况：（1）高密度培养系统；（2）存在Crabtree效应的系统；（3）受分解代谢物阻遏抑制作用的系统；（4）利用营养突变体的系统。
图4 保兴赛斯玻璃生物反应器BIOTECH-JG系列
保兴赛斯补料控制可采用数字化定时定量分段设置控制；蠕动泵补料自动控制；控制器可设定补料泵的开关周期。此外，补料可与pH 和溶氧关联控制。
参考资料：吴松刚.微生物工程[M].北京：科学出版社,2004.
