發酵補料
精細控制補料，是實現氨基酸高效發酵的關鍵環節。
在氨基酸發酵過程中，補料策略是連接優良菌種和高效產出的橋梁，其核心在于通過動態營養供給，使菌體始終處于“最佳狀態”。
通過精細控制補料，能將尾碳濃度維持在適宜的低水平，有效避免分解代謝物阻遏，減少有害副產物生成，提高原料利用率和產品得率。
那么，氨基酸發酵過程中有哪些補料方式，不同的補料方式又需要注意哪些要點呢？
01 補料方式：兩種主流策略
選擇何種方式將營養物質添加到發酵罐中，直接影響著發酵過程的穩定性。當前主流的補料方式主要有以下兩種：
1. 分批補料（脈沖補料）
這種方式是將需要補充的物料在特定時間點，分批、脈沖式地加入發酵罐。其優點是操作相對簡單，但缺點也很明顯：補料后，發酵罐內的底物濃度會突然升高，隨后隨著菌體的消耗逐漸降低，容易造成底物濃度的周期性波動。
這種波動可能對菌體的均一生長和穩定代謝產生不利影響，尤其在對過程控制要求較高的發酵中，其局限性更加突出。
2. 連續補料
連續補料是指通過自動化控制系統，以相對恒定的速率持續向發酵罐內流加新鮮培養基。這種方式最大的優勢在于能夠將發酵液中的關鍵營養物（如葡萄糖）濃度維持在一個狹窄且穩定的理想范圍內。
這為菌體營造了一個近乎恒定的生長環境，能有效避免底物抑制，顯著提高目標產物的產量和轉化率。因此，連續補料已成為目前工業上高產量發酵的首選方式。
研究表明，在L-谷氨酸發酵中，采用連續補料方式相比分批補料，能顯著提高產量。
02 補料種類：五大關鍵物質
在氨基酸發酵中，根據目標產物和菌種特性，需要補充的營養物質各不相同。主要的補料種類包括：
1. 碳源補料
葡萄糖、蔗糖等糖類是菌體生長和產物合成最主要的能源和碳骨架來源。但初始碳源濃度過高可能抑制菌體生長或產生大量副產物。
因此，通過流加方式將糖濃度維持在較低水平是常見策略。例如在L-丙氨酸發酵中維持在6-8 g/L，而在色氨酸發酵中甚至需維持在更低的0.01-0.2 g/L。
2. 氮源補料
氮元素是合成氨基酸的必備元素。銨鹽、尿素、氨水等是常用的氮源。其中，氨水較為特殊，它既能作為氮源，又能中和發酵過程中產生的酸，起到調節pH的雙重作用，因此在氨基酸發酵中應用非常廣泛。
3. 微量元素補料
鐵（Fe）、錳（Mn）、鈷（Co）、鋅（Zn）等微量元素雖然是微量的，但它們是許多關鍵酶輔酶的組成部分，對菌體代謝至關重要。
在發酵中后期流加微量元素，可以避免初期高濃度抑制，并補充后期的消耗。有專利技術提及將微量元素配制成混合液并進行補料，以避免初期高濃度抑制和后期營養不足。
4. 前體或誘導劑補料
在某些特定氨基酸的發酵中，添加特定的前體物質或誘導劑，可以顯著促進目標氨基酸的合成或誘導關鍵代謝途徑的高效表達。例如，在L-纈氨酸的發酵工藝中，通過在發酵中期流加玉米漿等營養物質，可以促進纈氨酸的生物合成并減少副產物的生成。
5. 特殊生長因子補料
有些氨基酸發酵菌種是營養缺陷型，需要額外添加生長因子，如生物素、維生素等。例如，谷氨酸發酵菌種通常需要生物素作為生長因子，其用量會影響細胞膜的透性，進而影響谷氨酸的分泌。
下表概括了這些主要補料種類及其功能：
| 碳源 | ||
| 氮源 | ||
| 微量元素/無機鹽 | ||
| 前體/誘導劑 | ||
| 生長因子 |
03 控制要點：實現精準補料的三個關鍵
制定了補料策略后，精準的執行是成功的關鍵。以下幾點需要特別關注：
1. 把握補料時機
開始補料的時間點至關重要。對于生長耦聯型發酵（菌體生長與產物合成同步），通常在菌體進入快速生長期、底物消耗到一定濃度時開始補料。
例如，在L-丙氨酸發酵中，當初始糖濃度降至10 g/L左右時開始補糖。
對于非生長耦聯型發酵（產物合成在菌體生長基本停止后），則多在菌體生長基本結束、進入產物合成期后開始集中補料。
例如，在色氨酸發酵中，當比氧消耗速率從高峰下降至5.0 mmol/h/g時，通過補加復合氮料控制代謝方向。
2. 精準控制速率與協同效應
補料的核心是控制補加速率，使其與菌體的消耗速率相匹配，維持動態平衡。例如，在L-丙氨酸的發酵過程中，通過實時監測糖濃度，動態調整補糖速率：當糖含量≥8g/L時減少流加速率；當糖含量≤6g/L時加大流加速率，以維持預設的濃度范圍。
此外，當同時補加多種物料時，需要注意它們之間的配比協同，例如維持適宜的碳氮比（C/N） 對氨基酸的高效合成至關重要。在賴氨酸發酵中，可能需要同時流加葡萄糖液（碳源）、液氨和硫酸銨溶液（氮源），這就需要根據各自的消耗情況控制流速，維持適宜的碳氮比，以利于賴氨酸的合成。
3. 與其他參數聯動控制
補料控制還需與pH、溶解氧等參數協同控制。例如，在L-丙氨酸發酵中，補糖策略與pH調節緊密關聯：糖濃度高時（≥8g/L）將pH控制在6.95-7.00之間；糖濃度低時（≤6g/L）將pH控制在6.80-6.85之間。這種動態調控確保了菌體代謝環境的穩定。
同樣重要的是溶解氧的控制。補加碳源會增加耗氧，需相應提高攪拌轉速或通氣量以維持充足溶氧，防止因缺氧而轉產副產物。在色氨酸發酵中，采用攪拌聯動，控制溶氧不低于20%。
4. 確保無菌操作
補料操作是發酵過程中一個重要的染菌風險點。無論是間歇補料還是連續補料，都必須確保補料管路和物料經過嚴格的滅菌處理，防止雜菌或噬菌體侵入發酵系統，導致整批發酵的失敗。
04 實踐案例：L-丙氨酸的補料控制
一項專利技術展示了如何將上述原則整合應用到L-丙氨酸發酵中：
? 微量元素混合液補加：在接種前便開始以恒定速率（110-170 mL/min）流加，確保了整個發酵周期內微量元素的穩定供應。 ? 葡萄糖的流加：與在線糖度監測聯動，當殘糖降至10 g/L時啟動流加，并通過動態調節速率將糖濃度精確維持在6-8 g/L的狹窄范圍內。 ? pH的協同控制：通過氨水流加控制，且pH設定值與糖濃度關聯（糖濃度高時pH略高，糖濃度低時pH略低），實現了碳源補充與pH調節的協同控制。 ? 誘導時機的把握：在發酵后期（OD值達到30時），通過降低pH至6.5左右來誘導L-丙氨酸合成酶系的高效表達。
這一系列精細控制最終使得L-丙氨酸的產量達到152 g/L，葡萄糖轉化率在95.5%以上，體現了精細補料控制的強大效果。
結語
氨基酸發酵的補料控制是一門在動態中尋求平衡的藝術。其核心原則可總結為：“看菌投料，動態平衡”。
