所有进入系统的物质，必须等于系统内部留存与向外输出的物质总和，即物质既不会凭空产生也不会无故消失，这就是物料平衡的原理。

在发酵生产过程中，物料平衡是实现高效、稳定生产的重要基础。通过精确计算输入与输出之间的关系，操作人员能够更好地掌握反应进程，及时调整参数，从而达到提高产量、降低成本的目的。发酵过程的物料平衡包括碳、氮、磷、硫等关键元素的平衡。今天，我们就来深入解析发酵过程中的物料平衡原理，实现优化控制补料的“三个平衡”。

一、发酵过程中的物料平衡原理

1. 碳元素平衡

培养基中的碳 = 菌体中的碳 + 产物中的碳 + 排出CO₂中的碳。

碳是细胞生长和产物合成的主要能量来源，准确估算CO₂的排出量非常关键。目前常用的尾气分析仪测定，但需注意目前尾气冷却除水使该方法误差较大，因CO₂易溶于水，可能导致测量值偏低。若无检测仪器，经验表明：培养基总碳量（包括补料）约为菌体与产物中碳量的2.3~2.6倍，或10~15倍于培养基（包括补料）中的总氮量。

2. 氮、磷、硫平衡

培养基中的N、P、S = 菌体中的N、P、S + 产物中的N、P、S➕培养基残留N、P、S。

这些元素是构成细胞结构、酶和代谢产物的基础，其平衡直接影响菌体生长和合成效率。氮、磷、硫在培养基中都是过量存在，后期优化主要还是以实验验证为主。

二、实现优化控制的“三个平衡”

要实现发酵过程的高效稳定运行，仅靠物料衡算还不够，必须在动态过程中实现以下三个关键平衡：

1. 耗氧速率与供氧速率的平衡

氧气是好氧发酵中至关重要的因素。菌体在生长和代谢过程中需要消耗氧气，而供氧不足会导致菌体生长受限、产物合成效率降低。

如何实现平衡：

通过实时监测溶氧（DO）变化，调整搅拌速率、通气量或罐压，确保供氧速率满足菌体的耗氧需求。

优化意义：

维持合适的溶氧水平，既能避免缺氧抑制，也能防止过度供氧造成能源浪费或细胞氧化损伤。

2. 稀释速率与生长速率的平衡

在补料发酵中，新鲜培养基的流加速率（稀释速率）必须与菌体的比生长速率相匹配。这里的稀释速率是连续发酵或补料发酵过程中，新鲜培养基流入发酵罐的速率与发酵罐内培养液体积的比值。

如何实现平衡：

借助在线生物量监测或间接参数（如pH、DO拐点），确定临界稀释率，使菌体保持在最佳比生长速率状态。

优化意义：

避免菌体生长过快导致营养耗竭或代谢副产物积累，也能防止生长过慢造成反应器效率低下。

3. 基质流加速率与基质消耗速率的平衡

营养物质（如碳源、氮源）的流加必须精准匹配菌体的实际消耗速度，否则会出现基质过剩或匮乏。

如何实现平衡：

这里主要分为两个阶段，在研究阶段，我们使用精密、复杂、昂贵的方法去发现最优平衡点。通过实时检测残留基质浓度（如葡萄糖、铵离子），或借助软测量技术，动态调整补料策略。

在生产阶段，我们使用简单、稳健、可靠的方法去重现研究阶段发现的最优平衡点。像使用pH,DO拐点，根据相应的OD情况调整补料速度等。

从实验室到工厂，不是一个简单的放大过程，而是一个控制策略的降级和简化过程，其核心目的就是将优化后的成果，以最高效、最可靠的方式转化为持续稳定的产品质量和经济效益。这也是实验研究与工业生产策略选择的关键方向。

优化意义：

维持稳定的营养水平，防止底物抑制或浪费，提高转化率，同时控制副产物的生成。

三、动态优化：依靠计算机实现智能控制

现代发酵控制已经越来越多地依赖计算机系统进行实时数据采集、模型预测与控制决策。通过建立准确的物料与能量平衡模型，系统能够实现：

多参数联动调节（pH、DO、温度、补料等）；

实时反馈与前馈控制；

过程异常诊断与自动纠偏。

这不仅大幅提升了生产的稳定性和可重复性，也为工艺优化提供了强有力的数据支持。

发酵过程是一个复杂的动态系统，其优化离不开对物料平衡的深刻理解与实时控制。通过实现“耗氧与供氧、稀释与生长、流加与消耗”这三个关键平衡，我们能够在不断变化的生产条件下保持发酵状态的稳定，最终达到高产、高效、节能的生产目标。

内容引用河北科技大学 徐亲明《发酵培养基的设计、配制、优化与中试放大》