发酵过程优化与控制技术的研究进展与展望

摘要

发酵工程是利用生物质原料,在生物反应器(发酵罐)中通过微生物细胞转化,生产各种化学品和能源产品的工程技术.以获得高产量、高底物转化率和高生产强度相对统一为目标的发酵过程优化与控制技术,是发酵工程的核心.其研究不仅关系到能否发挥菌种的最大生产性能,而且会影响下游处理的难易程度,因而在整个生物产品的研发过程中具有特别重要的作用.本论文首先概述了传统发酵过程优化与控制的策略,包括基于微生物反应原理的培养环境优化技术、基于微生物代谢特性的分阶段培养技术、基于反应动力学的流加发酵优化技术和基于代谢通量分析的过程优化技术. 发酵过程优化与控制技术在整个生物产品的研发过程中具有承上启下的作用，在国内外发酵工程学者和工程师的重视和努力下，取得了很大的技术突破和迅速发展。但传统的发酵过程优化与控制技术是以基于参数离线检测的培养条件优化和过程建模为主导，具有一定的时效滞后性。目前随着组学技术(如基因组学、代谢组学和蛋白质组学)以及实时检测技术和工具的快速发展，基于微生物生理特性实时分析的发酵过程优化与控制技术将会是未来的一个重要发展方向，同时组学和实时在线测量代谢通量的整合将会使发酵过程优化和控制的目标更加微观化(如以某一个或几个胞内代谢途径通量为优化目标，而不仅仅是宏观性的代谢产物的产量)，控制效率更高，优化效果更好。