1. 课程导入与补料策略全景
发酵工程中有一句被反复验证的经验：菌种决定上限，工艺决定能否接近上限，而补料决定工艺能否稳定地跑在上限附近。在青霉素、谷氨酸、重组蛋白、酵母高密度培养等典型工业过程中，初始培养基往往只提供有限的碳源、氮源和生长因子，若一次性投足，高浓度底物会带来渗透压胁迫、分解代谢物阻遏和溶氧不足；若投得太少，菌体又会在对数生长后期因营养枯竭而提前进入衰亡。补料策略正是用来在“底物抑制”与“营养限制”之间寻找动态平衡的控制手段。
本课程的学习目标可以概括为三个层次。第一层是理解机理：弄清补料如何影响比生长速率 μ、比产物生成速率 qp、摄氧率 OUR 与呼吸商 RQ 等关键状态量，以及为什么不同代谢模式（氧化发酵、微好氧、厌氧）对补料速率的要求截然不同。第二层是掌握方法：从恒速补料、指数补料、脉冲补料，到基于 pH、DO、RQ 的反馈补料，再到基于物料平衡与软测量的模型驱动补料，能够根据产物类型选择合适的策略并给出可执行的参数。第三层是形成判断力：面对溶氧骤降、pH 反弹、泡沫激增、副产物积累等现场信号，能判断是补料过快、过慢还是补料液配比失当，并做出调整。
核心认知：补料不是“往罐里加料”这么简单，它本质上是一个带约束的动态优化问题——在设备供氧能力、传热能力、菌体耐受度和产物合成窗口的多重约束下，把限制性底物浓度维持在既能支撑合成又不触发抑制的窄区间内。
从控制结构看，补料策略可分为三大类。第一类是开环补料，包括恒速补料和分段恒速补料，实现简单、无需在线传感，适合工艺成熟、批次波动小的产品，但对菌体活性变化不敏感。第二类是程序化补料，以指数补料为代表，按预设的 μset 让补料速率随时间指数增长，使菌体维持恒定比生长速率，广泛用于高密度培养和质粒扩增阶段。第三类是反馈补料，又细分为间接反馈（以 pH、DO、RQ、尾气 CO₂ 为触发信号）和直接反馈（以葡萄糖、甲醇等底物在线检测为输入），以及在此之上的模型预测控制。三类策略的复杂度、鲁棒性与适用场景各不相同，后续章节将逐一展开。
以青霉素为例，产黄青霉在快速生长期需要充足碳源支持菌丝增殖，但进入产物合成期后，葡萄糖浓度过高会抑制青霉素合成并促进副产物积累。工业上常见的做法是：生长期采用较高补糖速率，进入合成期后把补糖速率降到维持水平附近，同时用氨水既补氮又调 pH，形成“糖—氨—pH”耦合的间接反馈。谷氨酸发酵则更强调残糖控制，通常把残糖维持在 1%~2%，配合生物素亚适量和溶氧联动，避免糖过量导致乳酸或琥珀酸积累。重组蛋白生产中，诱导前用指数补料把菌体推到高密度，诱导后主动降速以抑制乙酸生成，此时 DO-stat 的“回升—回落”节奏就是判断补料是否匹配的重要依据。面包酵母培养则常用 RQ 作为核心指标，RQ 接近 1 说明以呼吸代谢为主，RQ 明显升高则提示糖过量、开始产乙醇，需要立即下调补料速率。