好氧发酵中海水和动物细胞的培养生物显微镜
在大多数发酵中，pH可发生显著变化。通常，氮源的特性是重
要的。如果铵是唯一的氮源，微生物利用铵的结果使氢离子被释放
到培养基中，结果导致pH’降低。如果硝酸盐是唯一的氮源，由于
硝酸盐还原成氨时消耗培养基中的氢离子，结果导致pH升高。还有
，pH也由于有机酸的产生、酸(特别是氨基酸)的利用或碱的生成而
发生变化。在一些体系中(例如海水和动物细胞的培养)，二氧化碳
的释放和供应能大大改变pH。因此，通过缓冲液或灵敏的pH控制系
统对pH加以控制是重要的。
在好氧发酵中溶氧(DO)是一种重要的底物，而且因为氧气在水
中是难溶解的，它也可能是一种限制性的底物。在高细胞浓度下，
氧的消耗速率可能超过了氧的供应速率，这可导致氧的限制。当氧
成为限速因素时，比生长速率随溶氧浓度按照饱和动力学规律发生
变化；低于临界浓度时，生长或呼吸与溶氧浓度近似一级速率关系
。重要的是要记住，尽管恒定的细胞组成和平衡生长在指数生长期
占优势，但细胞组成和生物合成能力对新的生长条件进行响应而变
化(非平衡生长)。如果减速生长期是由于底物耗尽而不是因为毒物
的抑制引起的，那么生长速率的减缓就与底物浓度的降低相关。在
稳定期和死亡期，个体中特性的分布是很重要的(例如隐蔽性死亡)
。这些动力学概念不仅在分批发酵中是明确的，它们在其他培养模
式中(例如连续培养)也是明确和重要的。
很显然，对一种培养过程的生长动力学的完全描述涉及对每个
细胞结构特性的认识和培养物的隔离，将其隔离为可能互不相同的
独立单元(细胞)。模型可能有这些相同的属性。化学结构化模型将
细胞分成各种组分。如果这些组分的比例随胞外环境的扰动而变化
，那么该模型就能模拟细胞组分随环境变化而变化的性质。如果一
种培养模型是由非连续的单元构成的，那么它就能模拟真实培养中
所观察到的隔离现象。模型种类有结构化隔离模型、结构化非隔离
模型、非结构化隔离模型、非结构化非隔离模型。结构化隔离模型
是较接近实际情况的，但它们在计算上很复杂。
在一个模型中所需要的真实性和复杂性的程度取决于要描述什
么；建模者应选择能够足以描述所选系统的较简单模型。非结构化
模型假定细胞组成是固定不变的，这等于是假定细胞平衡生长。平
衡生长假定主要在单级稳态连续培养和分批培养的指数期才是有效
的；在任何瞬态条件下它都不成立。细胞对其环境扰动响应的快慢
和这些扰动发生的快慢决定着是否能够假定是拟稳态生长。如果细
胞的响应比外部的变化快，而且如果这些变化的量不太大(例如，
偏离初始条件的10％或20％)，那么使用非结构化模型是合理的，
因为此时与平衡生长的偏离很小。非结构化模型不能满意地描述对
大扰动或快速扰动进行响应的培养过程。
对于很多系统，隔离并不是培养物响应的关键，所以在很多情
况下，使用非隔离模型的效果令人满意。
