维生素C前体2-KGA发酵过程建模及基质流加优化

1、维生素 C前体 2-KGA发酵过程建模及基质流加优化维生素 C 是人和其他一些灵长类动物不能合成又必需的一种营养元素，不仅在医药和保健品行业有极大的需求，在食品饮料行业、 饲料行业和化妆品行业也有着广泛的应用。世界市场上维生素C 需求量巨大，而且以每年约3-4%的速度在增长。维生素 C 两步发酵法（俗称二步法） 是目前维生素 C 主流生产方法， 包含两步发酵，第一步是从D-山梨醇发酵生成 L- 山梨糖，第二步是从L- 山梨糖发酵生成维生素 C前体 2- 酮基 -L- 古龙酸 (2-KGA) 。二步法的第二步是本文的研究对象。本文以提高 L- 山梨糖到 2-KGA发酵过程的产率和转化率为主要目标

2、，研究了发酵条件对 2-KGA发酵的影响，对 2-KGA混菌发酵过程进行了建模研究，并基于模型进行了优化控制研究。具体研究工作如下所述：通过实验研究了影响2-KGA发酵的一些关键条件，如初始MgSO47H2O浓度、初始 L- 山梨糖浓度、温度和 pH 等。关键条件的优化是基于维生素C 现有工业生产规范的调整。对初始MgSO47H2O浓度和初始 L- 山梨糖浓度对 2-KGA发酵过程的得率和产率影响， 分别实施了单因素实验，对二者初始浓度进行了优化。对 2-KGA发酵中 pH 和温度的影响也进行了单因素实验优化，结果表明，分阶段 pH 控制有利于缩短发酵周期，而调高发酵温度设定值有利于提高2-K

3、GA最终浓度，但只适用于在发酵接近终点时使用。建立了 2-KGA发酵过程的非结构化模型。2-KGA发酵过程的模型化比较困难，遵循循序渐进的原则，首先进行了非结构化模型的建模研究。 2-KGA发酵过程涉及到氧化葡萄糖酸杆菌（俗称小菌）和巨大芽孢杆菌（俗称大菌）两个菌株，它们的相互作用比较复杂。已有的 2-KGA发酵过程建模均采用Monod型模型描述大小菌的生长。然而，Monod型模型不能完全描述大小菌混合培养时所表现的生长特征，如大菌完全死亡或变成芽孢， 小菌在大菌死亡时快速生长， 在大菌变成芽孢或死亡后小菌缓慢生长等。为此，本文将大小菌看作是生活在同一个生态环境中的两个种群，引入种群理论来描述

4、大小菌的混合生长，并由此建立了2-KGA发酵过程的非结构化模型。实验验证结果表明， 该非结构化模型能较好地描述产物和底物的动态变化，通过模型计算的大小菌仿真数据与实验现象吻合良好。根据种群理论的观点， 对大小菌的关系进行了界定， 依据参数辨识值确定二者关系为捕食关系， 其中大菌是被捕食者， 小菌是捕食者， 而且被捕食者最终会全部消亡。基于2-KGA发酵过程的非结构化模型，进一步发展，建立了2-KGA发酵过程的结构化模型。2-KGA混菌发酵过程中，仅小菌能合成2-KGA；大菌不能合成 2-KGA，但能刺激小菌高密度生长和产2-KGA。因此建立结构化模型的关键是建立小菌胞内L-山梨糖的代谢途径。L

5、- 山梨糖或其他底物在小菌或其他同属菌种内合成2-KGA的合成线路已经有了很多研究，小菌的全基因组测序工作也已经完成，但L- 山梨糖在小菌胞内的完整代谢途径至今尚无公开的报道。本文基于已有的与小菌同属的葡萄糖酸杆菌属的细菌的代谢途径， 以及葡萄糖的一般代谢途径和2-KGA混菌发酵中特有的实验现象，分析并建立了L- 山梨糖在小菌胞内的简化代谢途径，并根据简化的代谢途径建立了代谢物质的化学计量平衡方程。考虑到接种后小菌生长的迟滞，引入了调节器模型来描述这个迟滞过程。大菌对小菌的作用归结为大菌死亡速率影响小菌对L- 山梨糖的比消耗速率。由此建立了小菌的宏观动力学模型，与生物反应器模型相结合，构成了2

6、-KGA发酵过程的结构化模型。 利用该模型可以求解L- 山梨糖比消耗速率、 大小菌比生长速率、 2-KGA比生长速率等一些关键反应速率。结合生物反应器模型，可以获得操纵变量（如流加速率）和状态变量（如菌体浓度、底物浓度和产物浓度） 之间的关系， 从而为通过外部操作影响发酵状态提供了理论模型。利用大量的实验数据对模型进行了验证。结果表明，2-KGA发酵过程的结构化模型能够较好地描述发酵过程中L- 山梨糖浓度和 2-KGA浓度的动态变化过程。 大菌和小菌的仿真数据与我们在实验中的镜检结果相吻合。仿真数据所展示的大小菌生长特征也与已发表论文中大小菌的实验数据相一致。基于 2-KGA发酵过程结构化模型提出了针对基质流加的优化控制方案。首先通过实验对基质流加改变2-KGA发酵过程发酵效率进行了可行性研究。以批发酵实验作为比较对象， 对 2-KGA发酵过程不同的基质补料方式进行了比较，进行了灌注式补料实验、 恒速流加实验、 增速流加实验的发酵对比， 结果表明任何形式的基质流加实验都要优于批发酵实验。同时还以实验的形式进一步探讨了流加开始时间点的选择问题，以确定合适的流加