丙酮酸发酵光滑球拟酵母过程功能的强化

论文摘要

在利用微生物细胞过量合成生物基化学品的过程中,需要考虑的问题是:如何优化或强化微生物细胞的过程性能,以提高目标代谢产物的生产效率。本文以一株能在胞外大量积累丙酮酸的光滑球拟酵母营养缺陷型菌株（Torulopsis glabrata CCTCC M202019）为研究菌株。以动力学模型和过程控制为技术手段,围绕如何调控光滑球拟酵母的营养环境条件以强化T. glabrata的过程功能开展研究。主要研究结果如下:1不同初始维生素浓度下,细胞生长和丙酮酸合成具有显著差异:较高的初始维生素浓度（14 ml/L）可提高最终细胞浓度（20.03 g/L）和细胞生长持续时间,但降低了丙酮酸对葡萄糖得率（0.41 g/g）;较低的初始维生素浓度（6 ml/L）能提高丙酮酸的得率（0.82 g/L）但使细胞生长微弱（6.71 g/L）;通过指数流加维生素可将比生长速率控制在设定值附近,但控制较高比生长速率（μset为0.05 h-1）时最终碳流较多流向细胞生长,控制较低比生长速率（μset为0.01 h-1）可以获得较高的最终丙酮酸浓度（81.3 g/L）和得率（0.67 g/g）,但丙酮酸生产强度较低（0.91 g/（L h））。在上述分析基础上,提出了基于维生素指数流加的比生长速率分步控制策略:在16-34 h时将μset定为0.05 h-1,在34 h和64 h分别切换到0.02 h-1和0.01 h-1,使最终丙酮酸浓度、产率和和生产强度比分批发酵分别提高了34.5%、22.9%和6.9%;2对不同葡萄糖浓度下光滑球拟酵母分批发酵生产丙酮酸的动力学模型分析发现,葡萄糖浓度是影响光滑球拟酵母发酵生产丙酮酸过程功能的关键因素之一。在发酵初始阶段,低浓度葡萄糖可维持较高的菌体比生长速率;对数生长中前期,葡萄糖快速进料使菌体浓度达到最大值,并实现碳流从菌体生长转向丙酮酸积累;对数生长后期葡萄糖浓度控制在33.4 g/L以维持高丙酮酸对葡萄糖产率系数（0.71 g/g）。采用奇异控制的葡萄糖流加方式,在7L发酵罐上控制不同发酵阶段葡萄糖浓度处于最佳水平以强化光滑球拟酵母过程功能,丙酮酸产量（83.1 g/L）、产率（0.621 g/g）、生产强度（1.00 g/（L h））与分批发酵对比,分别提高了21.3%、21.6%和29.9%;3 T. glabrata CCTCC M202019分批发酵生产丙酮酸过程中,较高的发酵温度加速T. glabrata积累丙酮酸;而较低的温度则可减轻高浓度丙酮酸对细胞生长和产酸的抑制,提高细胞后续产酸能力。运用考虑产物抑制的Logistic方程等对发酵过程进行模拟,得到不同温度下发酵动力学参数,然后运用不同的方程对动力学参数进行拟合,进而得到丙酮酸分批发酵的最佳温度控制策略:在发酵初始阶段（0-8 h）发酵温度控制在34 oC以维持较高的菌体生长速率和丙酮酸合成速率;发酵中期（9-42 h）,逐步将发酵温度降到27oC以获得代谢流强化和细胞衰亡之间的最佳平衡;然后维持27 oC至发酵结束。采用这一最佳温度控制轨迹,最终发酵周期缩短12 h,丙酮酸产量（80.4 g/L）、对葡萄糖产率（0.70 g/g）和生产强度（1.32 g/（L h））则分别提高了12.9%、6.9%和32.8%,而发酵副产物甘油和α-酮戊二酸产量则比30 oC恒温发酵分别下降了59.2%和44.7%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 基于微生物反应原理的过程功能强化技术
• 1.2.2 基于微生物代谢特性分阶段培养的过程功能强化技术
• 1.2.3 基于反应动力学模型的发酵过程功能强化技术
• 1.2.4 基于代谢通量分析（MFA）的发酵过程功能强化技术
• 1.2.5 基于系统观点的生物反应过程功能强化技术
• 1.2.6 基于辅因子工程的生物反应过程功能强化技术
• 1.3 本论文主要研究内容
• 1.3.1 Torulopsis glabrata 发酵生产丙酮酸的研究进展
• 1.3.2 T. glabrata 发酵生产丙酮酸存在的问题
• 1.3.3 本论文主要研究内容
• 1.4 论文的撰写说明
• 第二章 调配维生素供给方式强化丙酮酸生产的过程功能
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 菌种
• 2.2.2 培养基
• 2.2.3 培养方法
• 2.2.4 分析方法
• 2.2.5 数据处理
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 补加维生素对细胞生长和丙酮酸合成的影响
• 2.3.2 维生素浓度对细胞生长和丙酮酸合成的影响
• 2.3.3 维生素指数流加对细胞生长和丙酮酸合成的影响
• 2.3.4 分步指数流加维生素策略的提出
• 2.4 本章小结
• 第三章 奇异流加葡萄糖强化丙酮酸生产的过程功能
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 菌种同第二章
• 3.2.2 培养基
• 3.2.3 培养方法
• 3.2.4 分析方法同第二章
• 3.2.5 数据处理同第二章
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 丙酮酸分批发酵动力学模型的构建
• 3.3.2 模型参数求解与适用范围
• 3.3.3 丙酮酸分批发酵动力学模型分析
• 3.3.4 分批补料培养生产丙酮酸的发酵过程
• 3.3.5 恒速流加发酵对丙酮酸生产的影响
• 3.3.6 控制不同葡萄糖浓度水平对丙酮酸发酵的影响
• 3.3.7 丙酮酸流加发酵过程的准优化控制
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于动力学模型调控温度强化丙酮酸发酵的过程功能
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 菌种同第二章
• 4.2.2 培养基
• 4.2.3 培养方法
• 4.2.4 分析方法同第二章
• 4.2.5 动力学参数计算同第二章
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 不同温度下丙酮酸分批发酵过程
• 4.3.2 不同温度下的丙酮酸分批发酵分批发酵动力学方程的建立
• 4.3.3 不同温度下丙酮酸发酵动力学模型的求解及验证
• 4.3.4 温度对丙酮酸发酵动力学参数影响分析
• 4.3.5 丙酮酸分批发酵过程中温度控制策略
• 4.3.6 丙酮酸分批发酵过程中温度控制策略的生理解析
• 4.4 本章小结
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间取得的学术成果