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。
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。