甘油生物轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇過程的代謝通量分析與動態(tài)模擬.pdf

1、生物煉制或白色生物技術(shù)近幾年受石油價格不斷攀升的影響而越發(fā)受到人們的關(guān)注，作為可再生的石油替代品，生物柴油的產(chǎn)量近兩年增長迅猛。而生物柴油副產(chǎn)10％的甘油，以甘油為原料生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品成為生物柴油行業(yè)的迫切愿望，其中用生物法將甘油轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇是最受人們關(guān)注的方法之一。本文對克雷伯氏桿菌轉(zhuǎn)化甘油為1，3-丙二醇的代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了通量分析，并建立了基于代謝網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)模型，對生物轉(zhuǎn)化過程的動態(tài)行為進(jìn)行了模擬，主要研究內(nèi)容如下：

2、 首先，對簡化的克雷伯氏桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了代謝通量平衡分析與優(yōu)化。依據(jù)甘油生物歧化為1，3-丙二醇的簡化代謝網(wǎng)絡(luò)建立了通量平衡方程，以1，3-丙二醇通量最大為目標(biāo)，通過線性規(guī)劃對其進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到最優(yōu)代謝通量分布和目標(biāo)產(chǎn)物的最大理論得率，并分析了比生長速率、氧氣消耗速率、呼吸商對1，3-丙二醇得率的影響以及各通量對1，3-丙二醇得率的限制潛能。在此基礎(chǔ)上，利用通量平衡分析方法對連續(xù)厭氧發(fā)酵實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行甘油代謝系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的識別，發(fā)

3、現(xiàn)其目標(biāo)函數(shù)對不同操作條件基本保持不變。細(xì)胞生長通量在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)最大，是驅(qū)動代謝的主要動力，其次是1，3-丙二醇和2,3-丁二醇通量。通過對不同目標(biāo)函數(shù)下得到的通量值與實驗值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)本目標(biāo)函數(shù)得到的通量值與實驗值最為接近，驗證了該目標(biāo)函數(shù)的合理性。 其次，對擴(kuò)展的克雷伯氏桿菌厭氧發(fā)酵甘油代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了代謝通量分析。利用不同操作條件下的甘油厭氧代謝的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)得到胞內(nèi)代謝通量分布，分析了不同操作條件對胞內(nèi)通量的影響以

4、及代謝網(wǎng)絡(luò)中的分支點的魯棒性。結(jié)果表明當(dāng)初始甘油濃度低時，生物量隨著NADH2與NAD+之比的降低而增加，當(dāng)甘油初始濃度高時二者變化卻相反。胞內(nèi)通量分布表明網(wǎng)絡(luò)中甘油和二羥丙酮節(jié)點對不同操作條件的變化顯示剛性，而丙酮酸和乙酰輔酶A節(jié)點則顯示柔性，是調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝的關(guān)鍵分支點。另外，在高甘油消耗速率下，乙醇途徑和丙酮酸脫氫酶途徑隨著甘油消耗速率的變化波動比較明顯。 再次，對甘油兼性生物歧化代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了基元通量分析。將氧氣傳感調(diào)控系

5、統(tǒng)加入甘油代謝網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用基元模式分析了厭氧和有氧條件下甘油生物轉(zhuǎn)化過程中各途徑的通量分布、靈敏性和1，3-丙二醇的生產(chǎn)潛能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，厭氧條件下，1，3-丙二醇最大理論得率為0.844mol/mol，此時磷酸戊糖途徑和轉(zhuǎn)氫酶途徑是提供1，3-丙二醇生產(chǎn)所需NADH2的主要途徑。有氧條件下1，3-丙二醇最大理論得率為0.875mol/mol，此時磷酸戊糖途徑或三羧酸循環(huán)對提高1，3-丙二醇的得率具有重要作用。另外，分析了不同氧氣水平對1，

6、3-丙二醇和生物量產(chǎn)率的影響。 最后，對甘油生物轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇的動態(tài)過程進(jìn)行了模擬。依據(jù)甘油代謝網(wǎng)絡(luò)，確定了胞內(nèi)代謝的基元模式，在此基礎(chǔ)上建立了宏觀反應(yīng)和微觀代謝的綜合模型。采用經(jīng)典細(xì)胞生長模型描述各基元宏觀反應(yīng)動力學(xué)時，根據(jù)實測的胞外代謝物流量和生物量情況識別的動力學(xué)模型能夠較好地反映甘油厭氧間歇發(fā)酵的指數(shù)生長期。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與第一工程原理結(jié)合的基于基元模式的混雜模型既能模擬甘油生物轉(zhuǎn)化為1，3-丙二醇的間歇過程，又能模