重组毕氏酵母发酵过程的代谢－氧传递组合模型

摘要

由于作为外源基因受体的巨大优势，毕氏酵母近年来已成为倍受青睐的外源蛋白表达系统。本文以重组毕氏酵母生产人血清白蛋白过程为例，对以下几个方面进行了研究： 1、重组毕氏酵母代谢模型 以毕氏酵母 (Pichia pastoris) 生产重组人血清白蛋白 (rHSA) 培养过程为对象建立代谢模型。该模型描述了毕氏酵母以甘油和甲醇为碳源时的物质流和能量流的平衡关系。利用该模型可以解得比碳源消耗速率、比生长速率、比乙酰辅酶A生成速率、比氧消耗速率等关键的反应速率。进一步，将该模型与生物反应器模型相结合，获得了操纵变量（补料速率）和状态变量（细胞干重浓度、基质浓度、蛋白浓度和发酵液体积）之间的关系。实验验证结果表明，毕氏酵母代谢模型能较好地描述细胞的生长和外源蛋白的表达。 2、重组毕氏酵母发酵过程的氧传递模型 分析了在机械搅拌反应器中，重组毕氏酵母发酵过程的氧传递，建立了氧传递模型。氧传递模型与搅拌速率、通气量、 溶氧、发酵液体积及发酵温度相关联。在拟稳态下，由氧传递模型估算的氧传递速率与由代谢模型得到的摄氧率较为吻合，较好地描述了毕氏酵母发酵过程中氧的供需状况。对氧传递模型在细胞干重在线估计上的应用作出了讨论，采用在线滚动辨识技术对YX/O2（细胞生长对氧的得率系数）及mO2/X（氧的维持系数）进行辨识。细胞干重浓度估计值与实验结果相符。 3、分析与讨论 针对发酵过程中出现的甲醇诱导期细胞干重浓度下降的现象进行了研究，得出细胞消耗自身累积的储存糖源以维持生命是引起干重下降的原因，并引入Monod模型来描述储存糖源的代谢过程。此外，文中探讨了细胞平均体积对蛋白产率的影响，对基于尾气CO2浓度控制的脉冲式补料策略进行了仿真。在面包酵母的培养中，该补料策略可有效增大细胞的平均体积。