補(bǔ)料分批發(fā)酵是最重要的一種生產(chǎn)模式，是指在無(wú)菌條件下向發(fā)酵系統(tǒng)中補(bǔ)加一定物料，維持生物生長(zhǎng)和生產(chǎn)所需要的營(yíng)養(yǎng)或前體，介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵生產(chǎn)模式。

本文結(jié)合GMP最新要求和發(fā)酵的特點(diǎn)，歸納了四種常見(jiàn)的可定量的生物過(guò)程補(bǔ)料方式并簡(jiǎn)述了其優(yōu)缺點(diǎn)：四種方式分別是火焰插針?lè)绞健⒖稍诰�(xiàn)SIP的蠕動(dòng)泵補(bǔ)料方式，以及基于流量計(jì)和計(jì)量杯的補(bǔ)料方式。

有幾個(gè)涉及補(bǔ)料的發(fā)酵參數(shù)，如pH和泡沫控制，可通過(guò)PID自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)。除此之外，更多補(bǔ)料如C源，N源，前體，誘導(dǎo)物，抑制劑等，它們?cè)谔砑忧靶枰獙?duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，往往不是一個(gè)，然后再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則制訂補(bǔ)加策略。由于目前還沒(méi)有一套可閉環(huán)控制的補(bǔ)料方案，所以需要不斷的根據(jù)參數(shù)變化來(lái)修改策略。    無(wú)論哪一種方式，都需要工藝人員掌握累積補(bǔ)料量和實(shí)時(shí)補(bǔ)料量，甚至對(duì)待它們要比測(cè)量的那些生理參數(shù)優(yōu)先級(jí)還要高，因此補(bǔ)料的定量控制能力成了對(duì)發(fā)酵設(shè)備的基本要求。同時(shí)，補(bǔ)料除了符合定量之外，還要考慮無(wú)菌因素和法規(guī)要求。
法規(guī)要求
新版GMP規(guī)定：發(fā)酵過(guò)程需補(bǔ)料操作時(shí)要求在無(wú)菌操作條件下進(jìn)行，應(yīng)事先對(duì)補(bǔ)充的物料配制后補(bǔ)料前進(jìn)行在位滅菌或過(guò)濾滅菌，應(yīng)對(duì)補(bǔ)料管路進(jìn)行滅菌保證無(wú)死角，應(yīng)采用密閉或封閉系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)料。以上規(guī)定對(duì)食品和原料藥生產(chǎn)涉及的發(fā)酵過(guò)程的補(bǔ)料進(jìn)行規(guī)范，大大降低了因補(bǔ)料導(dǎo)致的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
小規(guī)模生物過(guò)程補(bǔ)料
傳統(tǒng)蠕動(dòng)泵補(bǔ)料方式
①將配制好料液加到補(bǔ)料瓶a內(nèi)，并用硅膠管d將補(bǔ)料瓶a和補(bǔ)料針組件e連接好，然后將補(bǔ)料針組件包上紗布和牛皮紙后，整體再放入滅菌鍋內(nèi)滅菌；
②將滅菌后的硅膠管d安裝到蠕動(dòng)泵c內(nèi)；
③對(duì)接種環(huán)境進(jìn)行消毒；
④在火焰保護(hù)下，將補(bǔ)料針刺穿補(bǔ)料組件上的硅膠塞，再旋緊補(bǔ)料針。
⑤打開(kāi)發(fā)酵自控系統(tǒng)上的補(bǔ)料程序，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料。
優(yōu)缺點(diǎn)：該工藝簡(jiǎn)單實(shí)用，雖然實(shí)際染菌率很低，卻因?yàn)槭浅�口操作，沒(méi)有合適的驗(yàn)證方案，經(jīng)常不被GMP審核員認(rèn)可，所以這種方法多見(jiàn)于試驗(yàn)室。
具有SIP功能的補(bǔ)料方式
具體操作流程如下：
①將配制好料液加到補(bǔ)料瓶a，用硅膠管c將補(bǔ)料瓶a和補(bǔ)料隔膜閥e（含小排氣閥g、卡箍連接件i、j）連接好，關(guān)閉隔膜閥e后，整體放入滅菌鍋內(nèi)滅菌；
②將滅菌后的硅膠管c安裝到蠕動(dòng)泵d內(nèi)，并用卡箍連接件i、j將補(bǔ)料隔膜閥門(mén)e、小排氣閥g與相應(yīng)管路連接好；
③打進(jìn)蒸汽閥h，打開(kāi)小排氣閥g，稍微打開(kāi)補(bǔ)料隔膜閥f，對(duì)補(bǔ)料管路進(jìn)行滅菌；
④滅菌完畢后關(guān)閉進(jìn)蒸汽閥h和小排氣閥g，打開(kāi)補(bǔ)料隔膜閥e；
⑤打開(kāi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上的補(bǔ)料程序，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料。
優(yōu)缺點(diǎn)：該方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以對(duì)整個(gè)補(bǔ)料管路進(jìn)行在線(xiàn)SIP，徹底消除滅菌隱患，滿(mǎn)足GMP法規(guī)的要求，但是只能應(yīng)用于試驗(yàn)罐或小規(guī)模發(fā)酵補(bǔ)料。
注意點(diǎn)：呼吸過(guò)濾器的完整性往往被用戶(hù)忽視，導(dǎo)致染菌而不自知。
大規(guī)模生物過(guò)程補(bǔ)料
基于流量計(jì)的補(bǔ)料
流量計(jì)一般選用質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)等。其中質(zhì)量流量計(jì)適用于電導(dǎo)率低的介質(zhì)，測(cè)量精度可達(dá)到±0.25%；電磁流量計(jì)適用于電導(dǎo)率高的介質(zhì)，測(cè)量精度達(dá)到±0.5%；渦街流量計(jì)適用于電導(dǎo)率低的介質(zhì)，測(cè)量精度達(dá)到±0.75%，可根據(jù)實(shí)際情況要求選擇相應(yīng)的流量計(jì)。
流量計(jì)式補(bǔ)料系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)上圖，流量計(jì)與氣動(dòng)隔膜閥組成一個(gè)補(bǔ)料控制回路，流量計(jì)檢測(cè)累計(jì)補(bǔ)料量，氣動(dòng)隔膜閥控制流加�？刂撇呗钥梢苑譃閮煞N：一種是與pH、DO、濁度等分析儀表進(jìn)行閉環(huán)控制，例如補(bǔ)堿、氨水、消泡劑等；另一種是按時(shí)間和數(shù)量進(jìn)行的流加控制，例如補(bǔ)硫胺、糖液等。
補(bǔ)料控制一般采用PID控制，每隔一個(gè)掃描周期采樣一次，與上次的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)PID算法將補(bǔ)料量轉(zhuǎn)換為開(kāi)閥時(shí)間。
優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，與計(jì)算機(jī)配合可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)料工藝。缺點(diǎn)是對(duì)不同的補(bǔ)料通用性稍差，易受流量計(jì)前后壓力波動(dòng)的影響等，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看這是一種能夠替代計(jì)量杯補(bǔ)料的系統(tǒng)。
基于計(jì)量杯的補(bǔ)料方式
計(jì)量杯式補(bǔ)料系統(tǒng)在抗生素發(fā)酵生產(chǎn)中應(yīng)用較廣，其原理是把欲補(bǔ)充的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)按計(jì)量罐的容積，根據(jù)補(bǔ)料速率，換算成相應(yīng)的時(shí)間，然后等間隔地流加進(jìn)發(fā)酵罐。
計(jì)量杯式補(bǔ)料系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)上圖，主要由進(jìn)料隔膜閥、計(jì)量罐、高/低液位電極、出料隔膜閥等組成。具體操作流程如下：
①在發(fā)酵實(shí)罐滅菌時(shí)，對(duì)計(jì)量杯系統(tǒng)進(jìn)行滅菌，或者在補(bǔ)料前對(duì)料液分配系統(tǒng)進(jìn)行滅菌；
②滅菌完成后，關(guān)閉小排氣閥h和l，關(guān)閉進(jìn)料氣動(dòng)隔膜閥b、出料氣動(dòng)隔膜閥k，打開(kāi)進(jìn)料手動(dòng)隔膜閥j和壓力平衡閥；
③打開(kāi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上的補(bǔ)料程序，開(kāi)始根據(jù)設(shè)定自動(dòng)補(bǔ)料。
該補(bǔ)料方式的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量準(zhǔn)確，直觀，通用性好。
缺點(diǎn)是：使用高低液位電極原理的計(jì)量杯式補(bǔ)料系統(tǒng)僅適用于電導(dǎo)率高的液體，對(duì)于補(bǔ)油，需要將這種電極更換成光學(xué)傳感器；另外，這種方式涉及了大量的閥門(mén)管道，因此導(dǎo)致操作復(fù)雜，容易形成滅菌死角，且維護(hù)不方便，未來(lái)很可能被其他補(bǔ)料方式取代。