补料分批发酵

补料分批发酵在最广泛的意义上被定义为生物技术过程中的一种操作技术，在该过程中，一种或多种营养素（底物）在培养过程中被供给（供应）到生物反应器，并且产品（或多个）保留在生物反应器中 直到运行结束。 该方法的另一种描述是一种培养，其中基础培养基支持初始细胞培养，并添加补料培养基以防止营养耗尽。 也是一种半分批培养。 在某些情况下，所有营养物质都被送入生物反应器。 补料分批培养的优点是可以将培养液中补料底物的浓度控制在任意所需水平（在许多情况下，处于低水平）。

一般来说，当控制一种（或多种）营养物的浓度影响所需代谢物的产量或生产率时，补料分批培养优于传统的分批培养。

补料分批培养有效的生物过程类型可归纳如下：

1. 底物抑制[1]

甲醇、乙醇、乙酸和芳香族化合物等营养物质即使在相对较低的浓度下也会抑制微生物的生长。 通过适当添加此类底物，可以缩短滞后时间，显着降低对细胞生长的抑制作用。

2. 高细胞密度（High cell concentration）[1]

在分批培养中，为了达到非常高的细胞浓度，例如 50-100 g 干细胞/L，培养基中需要高初始浓度的营养素。 在如此高的浓度下，营养物质变得具有抑制作用，即使它们在分批培养中使用的正常浓度下没有这种作用。

3.葡萄糖效应（Crabtree效应）[1]

在从麦芽汁或糖蜜生产面包酵母的过程中，人们从 1900 年代初就认识到，如果培养液中存在过量的糖分，即使存在足够的溶解氧 (DO)，也会产生乙醇。 乙醇是细胞产量低的主要原因。 在存在葡萄糖浓度的情况下有氧乙醇形成被称为葡萄糖效应或克拉布特里效应。 为了减少这种影响，面包酵母生产通常采用分批补料工艺。 在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的需氧培养物中，当糖浓度高时，乙酸等有机酸（以及少量的乳酸和甲酸）作为副产物产生，这些酸抑制细胞生长并显示 对代谢活动的恶化影响。 这些酸的形成称为细菌 Crabtree 效应。

4. 分解代谢抑制[1]

当为微生物提供可快速代谢的碳能源（如葡萄糖）时，细胞内 ATP 浓度的增加会导致酶生物合成受到抑制，从而导致能源的代谢减慢。 这种现象被称为分解代谢物抑制。 许多酶，尤其是那些参与分解代谢途径的酶，都受到这种抑制性调节。 克服酶生物合成中分解代谢物抑制的一种有效方法是补料分批培养，其中培养液中的葡萄糖浓度保持较低，生长受到限制，酶生物合成被去抑制。 Penicillium chrysogenum 在青霉素发酵过程中缓慢供给葡萄糖是该类别中的一个典型例子。

5. 营养缺陷型突变体[1]

在采用营养缺陷型突变体（营养需求型突变体）的微生物过程中，所需营养素的过量供应会导致细胞大量生长，而由于反馈抑制和/或终产物抑制，所需代谢物的积累很少。 然而，所需营养物的饥饿会降低细胞生长以及所需代谢物的总产量，因为生产率通常与细胞浓度成正比。 在这样的生物过程中，可以通过在有限量的所需营养素下培养突变体来最大化所需代谢物的积累。 为了在低浓度所需营养素下培养突变体，以受控速率将其喂入分批培养物。 该技术常用于营养缺陷型突变体的工业氨基酸生产。 一个例子是谷氨酸棒杆菌的需要高丝氨酸或苏氨酸/甲硫氨酸的突变体缺乏高丝氨酸脱氢酶基因的赖氨酸生产。

6. 具有可抑制启动子的基因的表达控制

在开放阅读框上游具有可抑制启动子的基因的转录被所谓的全阻遏物与 DNA 上的操纵子区域的组合所抑制。 当培养液中存在特定的化合物时，细胞中的化合物（或其代谢物）作为共阻遏物与apo-阻遏物（一种转录因子）结合形成全阻遏物。