2-KGA混菌發(fā)酵信號-代謝耦合模型研究.pdf

1、我國是維生素C生產(chǎn)大國,擁有著世界近90％的產(chǎn)能,其主要工藝是二步發(fā)酵法。二步發(fā)酵法的第二步是通過巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium,俗稱大菌)和酮古龍酸菌(Ketogulonicigenium vulgare,俗稱小菌)[23]聯(lián)合利用底物L-山梨糖生產(chǎn)維生素C的前體產(chǎn)物2-酮基-L-古龍酸(2-keto-L-gulonic acid,2-KGA)。由于發(fā)酵過程的非線性以及混菌體系中復雜的作用關(guān)系,使得第二步發(fā)酵的模

2、型化過程進展緩慢,目前僅有少量的研究。
　　本文首先從大量的文獻中,梳理出大、小菌之間信號、代謝方面的相互作用關(guān)系。主要包括:①大菌通過群體感應感知小菌濃度,調(diào)整自身生長;②大菌活菌及自溶釋放物質(zhì)彌補小菌代謝缺陷;③小菌釋放溶菌酶促使大菌自溶以利于自身生長;④大菌自溶釋放一些蛋白酶類物質(zhì)可提高小菌SDH比活性。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建起了一種非結(jié)構(gòu)模型:大、小菌耦合關(guān)系模型,并利用四組不同條件下的實驗數(shù)據(jù)進行了模型驗證。
　　隨著基因

3、、代謝工程的發(fā)展,發(fā)酵過程模型化顯現(xiàn)出微觀化和多尺度的特征。本文在前人對小菌代謝網(wǎng)絡研究的基礎(chǔ)上簡化出了小菌的碳源代謝主干網(wǎng)絡,并利用代謝平衡分析(Flux balance analysis,FBA)的方法建立了小菌的代謝網(wǎng)絡模型。通過小菌的比生長速率將該模型與生物反應器模型結(jié)合起來,雖然我們只有產(chǎn)物和底物濃度的數(shù)據(jù),但結(jié)合前人大量的實驗描述和文獻知識,可以將大致確定模型參數(shù)范圍。該模型可以獲得小菌比底物吸收速率以及簡化代謝網(wǎng)絡模型各個

4、支路的通量分布及隨時間的變化情況。該模型體系是可以擴充的:一方面,可以將大菌的代謝網(wǎng)絡模型結(jié)合進來;另一方面,如果能獲取大小菌代謝層面的數(shù)據(jù)也可以使用較為復雜的代謝網(wǎng)絡模型來研究更微觀的現(xiàn)象機理。
　　發(fā)酵過程的機理建?？梢杂脕磉M行發(fā)酵過程的預測控制、發(fā)酵工藝優(yōu)化、故障批次的提前診斷等工作。本文利用耦合關(guān)系模型對背景廠2011年底-2012年初80個批次的實際發(fā)酵數(shù)據(jù)的分析表明該模型的適應性良好。繼而開發(fā)了基于機理模型的2-KGA