好氧發酵中海水和動物細胞的培養生物顯微鏡
在大多數發酵中，pH可發生顯著變化。通常，氮源的特性是重
要的。如果銨是唯一的氮源，微生物利用銨的結果使氫離子被釋放
到培養基中，結果導致pH’降低。如果硝酸鹽是唯一的氮源，由于
硝酸鹽還原成氨時消耗培養基中的氫離子，結果導致pH升高。還有
，pH也由于有機酸的產生、酸(特別是氨基酸)的利用或堿的生成而
發生變化。在一些體系中(例如海水和動物細胞的培養)，二氧化碳
的釋放和供應能大大改變pH。因此，通過緩沖液或靈敏的pH控制系
統對pH加以控制是重要的。
在好氧發酵中溶氧(DO)是一種重要的底物，而且因為氧氣在水
中是難溶解的，它也可能是一種限制性的底物。在高細胞濃度下，
氧的消耗速率可能超過了氧的供應速率，這可導致氧的限制。當氧
成為限速因素時，比生長速率隨溶氧濃度按照飽和動力學規律發生
變化；低于臨界濃度時，生長或呼吸與溶氧濃度近似一級速率關系
。重要的是要記住，盡管恒定的細胞組成和平衡生長在指數生長期
占優勢，但細胞組成和生物合成能力對新的生長條件進行響應而變
化(非平衡生長)。如果減速生長期是由于底物耗盡而不是因為毒物
的抑制引起的，那么生長速率的減緩就與底物濃度的降低相關。在
穩定期和死亡期，個體中特性的分布是很重要的(例如隱蔽性死亡)
。這些動力學概念不僅在分批發酵中是明確的，它們在其他培養模
式中(例如連續培養)也是明確和重要的。
很顯然，對一種培養過程的生長動力學的完全描述涉及對每個
細胞結構特性的認識和培養物的隔離，將其隔離為可能互不相同的
獨立單元(細胞)。模型可能有這些相同的屬性�；瘜W結構化模型將
細胞分成各種組分。如果這些組分的比例隨胞外環境的擾動而變化
，那么該模型就能模擬細胞組分隨環境變化而變化的性質。如果一
種培養模型是由非連續的單元構成的，那么它就能模擬真實培養中
所觀察到的隔離現象。模型種類有結構化隔離模型、結構化非隔離
模型、非結構化隔離模型、非結構化非隔離模型。結構化隔離模型
是較接近實際情況的，但它們在計算上很復雜。
在一個模型中所需要的真實性和復雜性的程度取決于要描述什
么；建模者應選擇能夠足以描述所選系統的較簡單模型。非結構化
模型假定細胞組成是固定不變的，這等于是假定細胞平衡生長。平
衡生長假定主要在單級穩態連續培養和分批培養的指數期才是有效
的；在任何瞬態條件下它都不成立。細胞對其環境擾動響應的快慢
和這些擾動發生的快慢決定著是否能夠假定是擬穩態生長。如果細
胞的響應比外部的變化快，而且如果這些變化的量不太大(例如，
偏離初始條件的10％或20％)，那么使用非結構化模型是合理的，
因為此時與平衡生長的偏離很小。非結構化模型不能滿意地描述對
大擾動或快速擾動進行響應的培養過程。
對于很多系統，隔離并不是培養物響應的關鍵，所以在很多情
況下，使用非隔離模型的效果令人滿意。
