批式流加发酵中的鲁棒脉冲时滞最优控制

本文研究了批式流加发酵中的鲁棒脉冲时滞最优控制问题。首先,提出一个非线性状态依赖的脉冲时滞系统描述批式流加发酵甘油生产1,3-丙二醇(1,3-PD)过程。由于批式流加发酵过程中的动力学参数难以准确估计,本文建立了一个具有连续状态不等式约束的鲁棒脉冲时滞最优控制模型。这里,目标函数为终端时刻1,3-PD浓度及其关于动力学参数的灵敏性的加权和,控制向量为流加发生时甘油的临界浓度及每次流加时甘油的流加体积。然后,通过引入辅助脉冲系统,将该鲁棒最优控制问题转化为等价的标准最优控制问题。进一步,通过约束转换技术,将等价的最优控制问题转化为仅具有盒式约束的罚问题。最后,设计了一种并行差分进化算法求解转化后的罚问题。数值结果表明:当参数受到微小扰动时,尽管牺牲了少量的1,3-PD浓度,但是明显提高了系统的鲁棒性。

高温产2,3-丁二醇甲基芽孢杆菌的筛选及其发酵优化

2,3-丁二醇是一种典型的大宗化学品,广泛应用于化工、食品、医药、燃料等领域。生物法发酵制备2,3-丁二醇是当下的主要方法,然而,大多数报道的菌株为条件致病菌且发酵条件严格,限制了生物法制备2,3-丁二醇的发展。该研究以温泉底土壤为试验材料,经过分离、筛选与鉴定获得了1株高温条件下产2,3-丁二醇的甲基芽孢杆菌。通过摇瓶实验优化发酵工艺,确定最适发酵条件与最优培养基组成,利用优化后的发酵工艺甲基芽孢杆菌发酵24 h产物产量达到32.57 g/L。进一步进行上罐试验,基于不同发酵罐转速条件下甲基芽孢杆菌的产量积累情况,理性设计两阶段发酵策略,并以最优策略分批补料发酵制备2,3-丁二醇,2,3-丁二醇的产量在甲基芽孢杆菌发酵45 h时达到73.19 g/L,转化率达到90.25%。

补料分批发酵优化氧化葡糖杆菌UZ209发酵产酸工艺

醋酸菌作为氧化乙醇生成乙酸的主要菌种,其产酸能力备受关注。氧化葡糖杆菌具有不完全氧化糖和糖醇的特性,可以产生多种类的有机酸,提升食醋风味,但相较于醋酸杆菌属,其产酸能力和乙醇耐受能力较低,限制了其在食醋工业中的应用。本研究通过优化氧化葡糖杆菌UZ209的培养基成分和补料分批发酵方式提高其发酵液总酸含量。结果表明,最佳发酵培养基为:2%葡萄糖、1%酵母浸粉、8%乙醇。补料分批发酵可以显著提高氧化葡糖杆菌UZ209的生长和发酵特性,在乙醇含量为3%的液体发酵培养基中补料分批发酵的最佳方式为按照吸光值补料,最佳补料吸光值为OD6000.8±0.025。在此条件下,5%和6%乙醇补料分批发酵8 d的总酸含量分别为(7.42±0.16)和(6.95±0.45)g/100mL,分别比对照组提高了18.91%和15.04%。

热带假丝酵母β-紫罗兰酮工程菌的构建及其发酵优化

β-紫罗兰酮是一种来源于植物的不规则单萜化合物,具有良好的驱虫、抗菌、抗癌和抗氧化等生物活性,广泛应用于农业、食品、医药和香精香料等行业。热带假丝酵母是潜在的萜类高效合成底盘细胞。为了提高β-紫罗兰酮产量,该研究在课题组前期构建的β-紫罗兰酮工程菌的基础上,通过酶的亚细胞区室组合,构建了一株β-紫罗兰酮合成关键基因PhCCD1,同时在其胞质、过氧化物酶体和脂滴表达的β-紫罗兰酮工程菌PCL-01;然后,对其摇瓶发酵培养基装液量、培养基碳氮比、发酵温度和辅因子Fe^(2+)浓度等条件进行优化;最后进行5 L发酵罐小试。工程菌PCL-01的β-紫罗兰酮摇瓶产量为152.4 mg/L,较出发菌株增加50%;经过摇瓶发酵优化,β-紫罗兰酮产量为185.8 mg/L,提升22%;最后,在5 L发酵罐上可达403.9 mg/L。该研究对于其他萜类物质合成的菌株代谢改造具有借鉴意义,亦可为其他菌种发酵性能的研究提供参考价值。

HIP1过表达对酿酒酵母工程菌麦角硫因产量的影响

麦角硫因是一种普遍存在于高等动植物体内的天然抗氧化剂,具有减少细胞氧化损伤、抗炎和治疗相关疾病的能力,被广泛应用于食品、化妆品和医药行业。与传统的植物提取法及化学合成法相比,通过微生物合成法制备麦角硫因具有周期短、成本低和产量高等优势。该研究以酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae CEN.PK113-5D为出发菌株,利用CRISPR/Cas9系统向其基因组中引入异源酶基因,构建具有完整麦角硫因生物合成途径的酿酒酵母工程菌。为进一步提高其产量,过表达组氨酸特异性转运蛋白Hip1p后,在仅有0.5 mmol/L组氨酸供给条件下,菌株胞内游离组氨酸水平显著提高,且麦角硫因产量提高10%。最终经摇瓶发酵72 h产量达(6.88±0.11)mg/L,而在5 L罐补料分批发酵策略下,培养72 h后麦角硫因产量达237.34 mg/L。该研究为后续代谢工程改造产麦角硫因酿酒酵母工程菌株提供靶基因参考。

过表达L-赖氨酸合成途径关键基因和ε-聚赖氨酸合成酶基因对ε-聚赖氨酸合成的影响

ε-聚赖氨酸(ε-poly-L-lysine,ε-PL)是小白链霉菌(Streptomyces albulus)产生的一种具有广谱抑菌活性的次级代谢产物,作为一种新型天然食品防腐剂在食品工业领域获得了广泛应用。通过代谢工程手段提高ε-PL生产菌的产物合成能力是降低ε-PL生产成本的有效手段,但目前关于ε-PL生物合成的关键代谢节点和调控机制还不清晰,因此还缺乏有效的靶基因。该研究基于文献挖掘了5个L-赖氨酸合成途径关键基因pyc(丙酮酸羧化酶基因)、ppc(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因)、zwf(6-磷酸葡萄糖脱氢酶基因)、dapA(二氢吡啶二羧酸合成酶基因)、lysA(二氨基庚二酸脱羧酶基因)和1个ε-PL合成酶基因(pls),并借助基因过表达手段,寻找影响ε-PL生物合成的关键靶基因。研究结果发现,过表达ppc、pyc和pls能够有效促进S.albulus WG608合成ε-PL。在补料分批发酵方式下,过表达菌株OE-ppc、OE-pyc和OE-pls的ε-PL产量较出发菌株S.albulus WG608分别提高2.8%、9.9%和16.3%,单位菌体合成能力分别提高12.7%、21.8%和56.4%,葡萄糖转化率分别提升了12.3%、10.2%和24.1%。同时,还发现过表达pls结合流加L-赖氨酸是一种有效提高S.albulus发酵生产ε-PL的策略。该策略在5 L罐上补料分批发酵192 h后的ε-PL产量达到61.3 g/L。该研究结果可为后续利用代谢工程手段改造S.albulus提高ε-PL产量提供靶基因。

补料策略优化促进乳酸乳球菌HB03发酵合成Nisin

为提高乳酸乳球菌HB03发酵合成Nisin的效率,本研究基于乳酸乳球菌发酵生长期间存在的氧化胁迫效应和胞外氨基酸消长规律,分析了肽水解酶系、UMP从头合成和肽聚糖合成代谢在转录组水平的表达差异,确定对数中后期Nisin合成限制因素为半胱氨酸(cysteine,Cys)和精氨酸(arginine,Arg)供应不足,并通过氨基酸单因素和碳氮源补加优化,确定10 L发酵罐水平优化的补料策略为:11、13.5、17、19.5 h分别加入0.15 mmol/L的Cys,12 h补入蛋白胨(15 g/L),10~24 h补入蔗糖(1.5 g/(L·h)),12~21 h流加Arg(0.25 g/(L·h))。在此条件下Nisin效价达到了8963 IU/mL,比只补加Cys发酵效价(6993 IU/mL)提高了28.2%,研究结果可为Nisin工业发酵提供重要参考。

甘蔗果酒补料分批发酵工艺优化及成分分析

在研究甘蔗果酒分批发酵动力学的基础上,对甘蔗果酒补料分批发酵的补料时间、补料液添加量和补料液糖度进行单因素条件和正交试验优化,并分析其经济效益,以及检测甘蔗果酒的营养成分和卫生指标。结果表明,最优甘蔗果酒补料分批发酵条件为:补料时间为2.5 d、补料液糖度为29°Bx、补料液添加量为35%(v/v)。在此最优条件下,所得甘蔗果酒的产量、酒精度、原料平均消耗和酒精平均生成速率分别为0.405 L、15.8%(v/v)、1.833°Bx·L/d和1.067%vol·L/d,分别比分批发酵所得的甘蔗果酒提高了35%、12.27%、38.24%和51.49%。经检测,甘蔗果酒含15种氨基酸,氨基酸总含量为40.83 mg/100 mL,含有11种矿质元素,氰化物<0.02 mg/L,铅元素0.018 mg/L,无机砷0.05 mg/L,展青霉素、大肠杆菌数、菌落总数均未检出。补料分批发酵有利于提高甘蔗果酒的发酵效率,所得的甘蔗果酒是一种酒体橘黄清亮、口感柔顺清爽、具有愉悦酒香和甘蔗果香,且营养丰富、符合国家卫生标准的半甜型果酒。

补料分批发酵法对细菌纤维素产量、结构及流变学特性的影响

补料分批发酵法是工业上常用的连续发酵生产手段。其中,引入新批次的液态培养基的过程可能会对细菌纤维素(bacterial cellulose,BC)凝胶的产量和品质造成影响。该研究探讨了2株木糖驹形氏杆菌ATCC 53582和ATCC 700178在补料分批发酵过程中菌体数目、培养基碳源及氮源浓度的变化,并对补料分批法生产的细菌纤维素的产量、微观结构及流变学特性进行了研究。结果表明,在发酵第7天,ATCC 53582的BC产量约是ATCC 700178的12倍。通过3次分批补充碳源、氮源和种子液,菌株ATCC 700178的BC产量最高,增长了5.9倍,但3次补料残留了约8~9 g/L的碳源。BC凝胶表现出强弹性特性,拥有纳米级纤维网络结构。菌株ATCC 700178分批补料生产的BC凝胶强度随补料次数增加而增强。该研究对连续生产品质稳定的细菌纤维素凝胶提供了理论支撑。

L-酪氨酸高密度流加发酵工艺研究

为实现L-酪氨酸的大规模生产,提高L-酪氨酸的产量和糖酸转化率,供试菌株为大肠杆菌TYR-05,通过单因素实验、正交实验、流加发酵优化实验,以菌体密度、L-酪氨酸产量、糖酸转化率及代谢副产物为指标,探究MgSO_(4)·7H_(2)O、磷酸二氢钾、谷氨酰胺、甲硫氨酸、维生素B_(12)、维生素H、磷酸吡哆醛对L-酪氨酸发酵的影响,最后确定适合L-酪氨酸发酵的培养基为MgSO_(4)·7H_(2)O_(2).0 g/L、KH_(2)PO_(4)2.5 g/L、维生素B_(12)2.0×10^(-3)g/L、PLP 1.0×10^(-3)g/L、维生素H 0.8×10^(-3)g/L,利用5 L发酵罐进行流加发酵生产,在初始发酵工艺的基础上,采用从10 h持续流加发酵的优化策略。实验结果表明,最高菌体密度达到65.0 g/L,L-酪氨酸产量为56.2 g/L,糖酸转化率为23.1%,乙酸作为副产物积累量减少到1.0 g/L,验证了L-酪氨酸高密度流加发酵策略的可行性,为L-酪氨酸及其他芳香族氨基酸的低成本、高效率工业化生产提供了一定的依据。

氯化胆碱对大肠杆菌发酵生产L-酪氨酸的影响

为提高大肠杆菌发酵生产L-酪氨酸的产量和糖酸转化率,降低副产物积累,试验对发酵培养基中氯化胆碱添加量进行了优化,并在此基础上探究出新的发酵工艺。试验结果表明,氯化胆碱的最佳添加量为0.4 g/L,最佳的发酵工艺为底物与流加培养基中氯化胆碱的添加比例为3∶7,流加培养基的流加速度随罐内溶氧值的波动而变化,以维持营养物质亚适量状态的全营养流加工艺。经过优化后,L-酪氨酸产量及糖酸转化率分别达到55.7 g/L、24.1%,副产物乙酸和谷氨酸产量分别为0.32,1.56 g/L,与原发酵策略相比,不仅实现了L-酪氨酸产量及糖酸转化率不同程度的提升,且副产物乙酸、谷氨酸的积累也大幅度降低,为今后工业化发酵生产L-酪氨酸提供了一定的参考依据。

汽爆秸秆酶解液补料赤霉素固态发酵工艺

赤霉素是一种重要的植物生长调节剂,广泛应用于农作物、苗圃、园艺等生产。赤霉素主要生产方式是微生物固态和液态发酵。与液态发酵相比,固态发酵有原料易得、生产成本低、环境污染小等优点。采用固态发酵工艺生产赤霉素,并优化工艺条件。通过在固态发酵过程中滴加适量汽爆秸秆酶解物来寻求赤霉素发酵替代原料。实验发现在第三天时滴加4 mL酶解液,赤霉素的产量最大。最佳固态发酵工艺参数为接种量为10%,温度为30℃,pH为8,固液比为1∶1.1,发酵周期为7天。

芦苇水解液发酵生产γ-聚谷氨酸工艺优化

为了降低γ-聚谷氨酸(γ-PGA)的生产成本,实现芦苇等可再生资源的高值化利用,探索建立以芦苇水解液为碳源制备γ-PGA的新型发酵过程控制策略的可行性。首先,研究纤维素酶用量和底物浓度对芦苇水解的影响;其次,采用分段式培养及溶氧反馈补料调控策略,对芦苇水解液发酵生产γ-PGA进行工艺优化。结果表明,芦苇经预处理后在10 FPU/g(底物)酶用量和10%底物添加量的条件下水解,总糖质量浓度可达(76.64±1.74)g/L;以分段式溶氧反馈-分批补料发酵培养方式,利用芦苇水解液生产γ-PGA,最终产量可达(46.72±1.18)g/L,生产效率较分批发酵提高了46.06%。因此,将芦苇水解液用于γ-PGA的分批补料发酵具有产业化可行性,有助于降低商业化生产的原料成本。

细胞培养上游强化工艺的应用

近年来,生物制品市场需求越来越转向有效、安全和可负担得起。抗体生产的工艺策略一直在追求平台的改进,以期克服传统批培养工艺成本高、产量低的局限性。其中上游强化工艺在提高生物制造的生产力和降低成本以及提高厂房利用率等方面显示出巨大的潜力。文中主要讨论了细胞培养强化工艺的最新技术,从N-1种子培养阶段和N生物反应器生产阶段两个方面阐述灌流培养(Perfusion)、高密度接种培养、浓缩补料批培养(CFB)在上游工艺中的最新应用。

间歇补料分批发酵提高纳他霉素产量

对间歇补料分批发酵提高纳他霉素产量的工艺进行了研究,结果表明,在5L自动发酵罐条件下,初始葡萄糖浓度40g/L,以发酵液中的还原糖为控制指标,当还原糖降至2％以下时开始间歇补糖使葡萄糖浓度维持在2％,葡萄糖流加总量为20-25g/L,在最佳的间歇补料分批发酵工艺下,使纳他霉素的产量从1.5g/L提高到2.3g/L,提高率为35％。

rCHO细胞在葡萄糖限制流加培养过程中的生长与代谢特性

以调控rCHO细胞的葡萄糖代谢为主要研究目标,通过在2L生物反应器中进行的批培养和葡萄糖限制恒速流加培养的方法,考察了在培养过程中葡萄糖浓度对rCHO细胞生长、葡萄糖和谷氨酰胺消耗,以及副产物乳酸、氨和丙氨酸生成的影响。结果表明:葡萄糖限制的流加培养过程中,活细胞密度XV达到2.35×106cells·mL-1,较批培养提高一倍;而乳酸生成大幅减少。在葡萄糖限制培养阶段,qLac和YLac/Gluc持续降低至零,而qo2/qGluc由0.7mmol·mmol-1上升至4.3mmol·mmol-1,说明更多葡萄糖进入高效释能代谢途径。同时谷氨酰胺的消耗增加,YAmm/Gln增大,YAla/Gln下降,证明谷氨酰胺的能量利用率也有所提高。

高水分蔬菜废物和花卉废物批式进料联合堆肥的中试

以滇池流域典型农业废物蔬菜 (西芹 )和花卉废物 (石竹 )为原料 ,进行了 2种配比的蔬菜废物和花卉废物联合堆肥的中试研究 .堆肥一次发酵采用批式进料温度反馈通气量控制的静态好氧技术 ,发酵周期 1 5d .对于西芹与石竹废物各占一半的堆肥试验 ,在一次发酵阶段 ,堆体温度在 5 5℃以上保持 1 0d ,最高温度达 6 5℃ ,可有效杀灭致病菌 ,堆体含水率从 6 4 2 %减少为 4 6 3% ,有机质含量从 74 7%下降到 5 5 6 % ,体积减少为原来的一半 ,pH值稳定在 7左右 .二次发酵采用周期性翻堆 ,自然腐熟 ,周期 30d .对堆肥产物的腐熟度和养分分析表明 ,堆肥产物稳定性好 ,养分含量高 .这表明 ,采用温度反馈通气量控制的静态好氧堆肥技术 ,蔬菜废物和花卉废物联合堆肥可以在 4 5d内获得高质量的堆肥产品 ,将堆肥产品返还土壤能有效减少固体废物非点源污染、提高土壤肥力 .

不同培养方式下兽疫链球菌发酵生产透明质酸的研究

对摇瓶的分批和补料、小罐的分批和流加发酵生产透明质酸（ＨＡ） 进行了比较研究，并对发酵机制进行了初步的探讨．在耗糖量相同的情况下，分批发酵比多次加料或流加发酵具有更高的ＨＡ产量和转化率；分批发酵初糖７％ ，发酵２４ ｈ 左右，产ＨＡ３．６ ｇ／Ｌ，转化率５．３ ％ ，流加发酵初糖３％ ，１５ ｈ 耗糖７％ ，此时，ＨＡ 为３ ．０ ｇ／Ｌ，转化率Ｙｐ／ｓ４．２％ ，继续发酵至２０ ｈ ，产ＨＡ４ ．０％ ，此时转化率Ｙｐ／ｓ３ ．６％ ，两种发酵所产ＨＡ 的Ｍｒ 均为２ ．０×１０６ ． 分批发酵中ＨＡ、副产物乳酸都和菌体生长相偶联，流加发酵中乳酸和菌体生长是偶联的，其含量均不断增加，ＨＡ含量表现为在菌体生长前期与之偶联，而后下降．流加发酵的菌体比生长速率远高于分批发酵．

补料发酵工艺的应用及其研究进展

综述了补料工艺在发酵工业中应用和研究。介绍了补料发酵工艺及其优点,着重讨论了补料发酵动力学和控制理论研究,以期为补料发酵的应用提供充分的参考依据。

木质纤维素稀酸水解液乙醇发酵的新方法

为了降低木质纤维素水解液发酵抑制剂对乙醇发酵的负影响,采用混合菌种对木质纤维素稀酸水解液乙醇发酵方式进行了研究。对批式发酵、补料批式发酵和间隔补料批式发酵3种发酵方式进行了比较。实验结果表明,间隔补料批式发酵可以有效地减弱水解液中抑制因子对菌种的影响,乙醇产量明显高于其他两种发酵方式,利用酿酒酵母(Saccaromyces cerevisiae 2.535)和嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilis ATCC 32728)混合发酵,乙醇产量最终达到14.4g/L,乙醇产率(Yp/s)为0.47g/g,相当于最大理论产率的92.2%。利用酿酒酵母和重组大肠杆菌混合菌种发酵,乙醇产量达到了14.5g/L。对木质纤维素稀酸水解液采用间隔补料批式乙醇发酵方法,可进一步减少抑制剂对乙醇发酵的影响,使发酵顺利进行。