丙酮酸發(fā)酵光滑球擬酵母過程功能的強化.pdf

1、在利用微生物細胞過量合成生物基化學品的過程中，需要考慮的問題是：如何優(yōu)化或強化微生物細胞的過程性能，以提高目標代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)效率。本文以一株能在胞外大量積累丙酮酸的光滑球擬酵母營養(yǎng)缺陷型菌株(TorulopsisglabrataCCTCC。M202019)為研究菌株。以動力學模型和過程控制為技術手段，圍繞如何調(diào)控光滑球擬酵母的營養(yǎng)環(huán)境條件以強化T.glabrata的過程功能開展研究。主要研究結果如下： 1不同初始維生素濃度下，細

2、胞生長和丙酮酸合成具有顯著差異：較高的初始維生素濃度(14ml/L)可提高最終細胞濃度(20.03g/L)和細胞生長持續(xù)時間，但降低了丙酮酸對葡萄糖得率(0.41g/g)；較低的初始維生素濃度(6ml/L)能提高丙酮酸的得率(0.82g/L)但使細胞生長微弱(6.71g/L)；通過指數(shù)流加維生素可將比生長速率控制在設定值附近，但控制較高比生長速率(μset為0.05h-1)時最終碳流較多流向細胞生長，控制較低比生長速率(μset為0.0

3、1h-1)可以獲得較高的最終丙酮酸濃度(81.3g/L)和得率(0.67g/g)，但丙酮酸生產(chǎn)強度較低(0.91g/(L·h))。在上述分析基礎上，提出了基于維生素指數(shù)流加的比生長速率分步控制策略：在16-34h時將μset定為0.05h-1，在34h和64h分別切換到0.02h-1和0.01h-1，使最終丙酮酸濃度、產(chǎn)率和和生產(chǎn)強度比分批發(fā)酵分別提高了34.5％、22.9％和6.9％； 2對不同葡萄糖濃度下光滑球擬酵母分批發(fā)酵

4、生產(chǎn)丙酮酸的動力學模型分析發(fā)現(xiàn)，葡萄糖濃度是影響光滑球擬酵母發(fā)酵生產(chǎn)丙酮酸過程功能的關鍵因素之一。在發(fā)酵初始階段，低濃度葡萄糖可維持較高的菌體比生長速率；對數(shù)生長中前期，葡萄糖快速進料使菌體濃度達到最大值，并實現(xiàn)碳流從菌體生長轉(zhuǎn)向丙酮酸積累；對數(shù)生長后期葡萄糖濃度控制在33.4g/L以維持高丙酮酸對葡萄糖產(chǎn)率系數(shù)(0.71g/g)。采用奇異控制的葡萄糖流加方式，在7L發(fā)酵罐上控制不同發(fā)酵階段葡萄糖濃度處于最佳水平以強化光滑球擬酵母過程功

5、能，丙酮酸產(chǎn)量(83.1g/L)、產(chǎn)率(0.621g/g)、生產(chǎn)強度(1.00g/(L·h))與分批發(fā)酵對比，分別提高了21.3％、21.6％和29.9％； 3T.glabrataCCTCCM202019分批發(fā)酵生產(chǎn)丙酮酸過程中，較高的發(fā)酵溫度加速T。glabrata積累丙酮酸；而較低的溫度則可減輕高濃度丙酮酸對細胞生長和產(chǎn)酸的抑制，提高細胞后續(xù)產(chǎn)酸能力。運用考慮產(chǎn)物抑制的Logistic方程等對發(fā)酵過程進行模擬，得到不同溫度下

6、發(fā)酵動力學參數(shù)，然后運用不同的方程對動力學參數(shù)進行擬合，進而得到丙酮酸分批發(fā)酵的最佳溫度控制策略：在發(fā)酵初始階段(0-8h)發(fā)酵溫度控制在34℃以維持較高的菌體生長速率和丙酮酸合成速率；發(fā)酵中期(9—42h)，逐步將發(fā)酵溫度降到27℃以獲得代謝流強化和細胞衰亡之間的最佳平衡；然后維持27℃至發(fā)酵結束。采用這一最佳溫度控制軌跡，最終發(fā)酵周期縮短12h，丙酮酸產(chǎn)量(80.4g/L)、對葡萄糖產(chǎn)率(0.70g/g)和生產(chǎn)強度(1.32g/(L