补料批培养-定义，原理，工艺，类型，应用，限制

馈料式文化的定义

简单地说，补料分批培养是分批发酵的一种改进。在分批补料培养中，营养物质是无菌添加的;这是一个半开放的系统，随着培养物的系统添加，生物反应器中液体培养物的体积增加。分批补料培养更高产，通过控制营养物质的顺序添加，产量更好，可实现更高的细胞密度，延长产品合成时间。

分批补料的主要优点超过一批文化是:

1. 产品的长期合成，
2. 通过增加电池的数量，从而增加与生物质浓度成正比的产品数量，可以在过程中实现更大的效率，
3. 通过有控制的连续添加养分来提高产量和生产力，
4. 这使得生物反应器可以用于非盈利时期的生产，而这段时期通常是为下一批产品做准备。

在分批补料过程中，在整个发酵过程中一般不需要去除肉汤，但添加的限制性营养物质的数量决定了反应速率。

图:间歇补料反应器符号和图显示了基质有限补料间歇培养的原理与初始分批阶段。在消耗了初始衬底后，开始连续和恒定的衬底进料。图片来源:维基百科．

补料分批培养具有以下优点:

1. 分解代谢产物的抑制和Crabtree效应可以通过限制底物浓度来管理。
2. 可以实现高的细胞密度
3. 增加非生长相关代谢物的产生是可能的。
4. 必要时，可降低肉汤粘度。
5. 它允许水分流失的替换，通过蒸发。

补料分批培养原理

• 初始过程类似于分批培养，在发酵开始时添加所有底物。
• 培养液通常只在操作期结束时收获，全部或部分(剩余的作为下一次重复操作的接种物)
• 在补料分批培养中，随着发酵过程的进行，基质逐渐添加。
• 这些底物在生产阶段以小浓度添加。
• 在操作过程中，有一个或多个进料流，但没有出水。
• 为了控制进料过程，需要测量许多与底物代谢有关的间接参数，因为不可能直接和连续地测量底物浓度。
• 因此，培养体积在操作过程中不断增加，直至容积满。

补料分批培养过程

• 该过程将以分批发酵开始，并消耗底物、营养物质和/或诱导剂。
• 新鲜的媒体将通过各种饲料流添加。
• 微生物被接种，并使用批量过程生长一段时间，然后营养物质被添加到发酵罐在整个发酵的其余部分。
• 通过在运行过程中控制投料速率，碳、氮、磷酸盐、营养物质、前体或诱导剂被间歇性或连续地添加到培养物中。
• 常见的喂养策略有:
  • 间断进料，通过基材的规则或不规则脉冲和
  • 根据预先计算的数据或基于在线测量的与细胞生长和代谢相关的变量的反馈控制设计的营养物质的定期连续饲喂
• 由于添加新鲜营养物质，大量的生物量积累通常发生在指数生长期间。
• 因此，当所需产品与微生物生长呈正相关时，补料分批发酵对于以高生物量密度或高产品产量为目标的生物过程非常有用。
• 生长速度可以控制底物浓度，以避免分解代谢抑制。
• 产品只在运行的最后收获。
• 培养体积在操作过程中不断增加，直至容积满。
• 然后，使用批量操作模式来获得最终结果。

补料分批培养的类型

1.体积不变馈料式文化

• 这一过程涉及将限制基板喂到反应器中，使其非常集中，因此没有显著的体积增加。
• 为了达到几乎恒定的培养体积，限制生长的底物必须以浓缩液体或气体的形式、通过透析或辐射灭菌的纯化形式饲喂。
• 在有氧条件下培养的嗜热古细菌采用了恒体积分批补料系统。

2.变量馈料式文化

• 它是一种补料分批发酵，添加底物料，工作体积随发酵时间的变化而变化。
• 体积变化可受工艺要求、时间可用性和发酵过程目标的影响。
• 在变体积进料批量过程中，进料策略可以根据如下选项来决定
  • 对于批处理，可以使用类似的介质组合。
  • 根据需要，可以根据需要和愿望，只加入与批处理所用浓度相似的限制性底物，而其余的介质组分则可以在开始时以与总反应器体积相同的速度加入。
  • 有限的底物，以浓缩的形式，可以以缓慢的速度添加，以防止过度稀释发酵液

3.重复或循环补料分批培养

• 在此过程中，当发酵达到固定阶段，细胞生长没有明显变化(由于底物耗尽或产物抑制)时，从发酵罐中去除一定量的废肉汤，然后添加新鲜的营养培养基。
• 随着这种去除和添加，基质浓度在发酵罐中增加，这导致增加的特定生长速率。
• 然而，比生长速率再次降低，当衬底被消耗和达到准稳态。
• 采用重复补料分批培养的方法，采用补磷策略优化青霉素G生物合成条件。

4.单馈料式流程

• 单次补料分批培养是在发酵过程中加入补料液，不去除废肉汤。
• 相比之下，这种方法的主要缺点是很多发酵液没有被利用，直到补料分批过程结束。
• 因此，反应器容积是发酵持续时间的一个严重限制因素。

补料分批培养的应用

用补料批技术生产或尝试生产的各种产品

产品	例子
氨基酸	谷氨酸，赖氨酸，酪氨酸，色氨酸，丙氨酸
抗生素	Candidin candihexin; 头孢菌素C，氯四环素，灰黄霉素，青霉素，链霉素，四环素，贝克氏酵母
酶	纤维素酶、半乳糖苷酶、异淀粉酶、蛋白酶、β -淀粉酶、α -淀粉酶、β -半乳糖苷酶、β -葡聚糖酶、β -葡糖苷酶
溶剂	丙酮，丁醇，甘油，1,3-丙二醇
维生素	核黄素、维生素B12
微生物细胞群 细菌 酵母	纤维菌属sp。假单胞菌博伊迪尼假丝酵母菌，产朊假丝酵母菌，粉酵母，酿酒酵母
动物细胞培养	非gs NS0细胞系，杂交瘤
其他人	醋酸、柠檬酸、赤霉素、中性脂类、聚羟基烷烃酸(PHA)、二羟基丙酮(DHA)、人干扰素-γ、克拉维酸、聚β-羟基丁酸(PHB)

补料分批培养的局限性

1. 在培养微生物之前，需要对其进行分析，以确定其需求、其生理机能和产量。
2. 要建立发酵和发展工艺，需要相当的操作技能。
3. 循环补料分批培养应谨慎设计，以确保毒素不会积累到抑制水平，并且如果多次循环，除加入补料培养基的营养物质外，其他营养物质也不受限制。
4. 较高的人工成本和/或过程的动态控制。
5. 要控制的部件的数量必须超过可用测量设备的检测限度。

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