工业发酵方式：半连续发酵在工业生产中的应用

工业发酵生产过程可分为分批、补料-分批、半连续（发酵液带放）和连续发酵四种方式。不同的培养技术各有其优缺点。

  一般认为，在得率随基质增加的情况下分批操作最适合于得率（产物的生产与消耗的基质之比）最大化。在得率下降的情况下用连续培养；在得率达到最高的情况下用补料-分批操作。

  从理论上看，连续培养总是可以取得最大产率，但实际上由于操作受限和菌的稳定性原因它并不可行。采用补料-分批/半连续操作可以延长发酵过程和提高产率。此法能减少反应器的非生产时间。

  了解生产菌种在不同工艺条件下的细胞生长、代谢和产物合成的变化规律，将有助于发酵生产的控制。

今天我们主要来看一下半连续发酵。在补料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（行业中称为带放）便可称为半连续发酵。

  带放是指放掉的发酵液和其他正常放罐的发酵液一起送去提炼工段。这是考虑到补料-分批发酵虽可通过补料补充养分或前体的不足，但由于有害代谢物的不断积累，产物合成最终难免受到阻遏。

  放掉部分发酵液，再补入适当料液，不仅补充养分和前体，而且代谢有害物被稀释，从而有利于产物的继续合成。

但半连续发酵也有它的不足之处：

①放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体；

②定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液体积更大；

③发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发酵产物的合成；

④一些经代谢产生的前体可能丢失；

⑤有利于非产生菌突变株的生长。

  据此，在采用此工艺时必须考虑上述技术上的限制，不同的品种应具体情况具体分析。

  来看一个例子，半连续发酵应用于由海洋微藻Porphyridium cruentum产生的藻红素（又称藻红蛋白，phycoerythrin）、外多糖和多不饱和脂肪酸生产中。

  这种微藻产生的多糖是一种含葡糖醛酸和少量硫酸盐的高分子量杂多糖。它具有干扰病毒感染宿主细胞的作用，能抑制一些反转录酶病毒（一种致肿瘤病毒）的反转录酶。

  Porphyridium cruentum也是多不饱和脂肪酸二十碳五烯酸（EPA）和二十碳四烯酸（ARA）的重要来源。藻红素可用作免疫分析中的荧光染料。

  为了优化这些有价值的化合物的生产，Fabregas等试验了Porphyridium cruentum的半连续发酵的培养基不同更新速率（即每24h用含有初始浓度的养分的无菌海水取代部分发酵液）对各种代谢产物合成的影响。

  试验了7种更新速率：2％、5％、10％、20％、30％、40％和50％。结果表明，对藻红素来说，在20％～30％较好，藻红素在培养液中的浓度和产率分别为65～75μg/mL和15～18（mg/L）/d；

  总可溶性外多糖与带硫酸盐的外多糖的最佳培养基更新速率及其相应产率则分别为20％～30％、600（mg/L）/d和50％、34（mg/L）/d；ARA与EPA的分别为20％、7（mg/L）/d和50％、5.3（mg/L）/d。

  因此，为了获得最大的产率，对不同产物有它最佳的培养基更新速率。也有将半连续发酵应用于其他品种的资料。

  在探讨了半连续发酵的多种优势和潜在挑战之后，我们可以得出结论，这种发酵技术为微生物发酵生产提供了一种灵活而有效的策略。通过精心设计和优化操作参数，如培养基更新速率，可以显著提高目标代谢产物的产率，这对于工业生产具有重要意义。
  我们也必须认识到，每种微生物和代谢产物都有其独特的生物学特性和生产需求。因此，没有一种“一刀切”的解决方案适用于所有情况。在实际应用中，需要对每种特定的发酵过程进行详细的研究和优化，以确保最佳的生产效率和经济效益。
   随着生物技术领域的不断进步，我们可以期待未来会有更多创新的方法和技术被开发出来，以进一步提高发酵过程的效率和可持续性。

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