【摘 要】
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本论文以谷氨酸为研究对象，对其发酵过程的优化和控制进行了研究。在利用谷氨酸棒杆菌S9114进行谷氨酸发酵过程中，通过分析不同操作条件下的表观现象和数据，发现不同溶氧条件下
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本论文以谷氨酸为研究对象，对其发酵过程的优化和控制进行了研究。在利用谷氨酸棒杆菌S9114进行谷氨酸发酵过程中，通过分析不同操作条件下的表观现象和数据，发现不同溶氧条件下谷氨酸和主要副产物乳酸的积累模式有着明显的差别，通过利用代谢网络模型计算发现造成这种差异的主要原因是代谢通量在谷氨酸、乳酸和TCA循环三者之间发生了迁移。因此运用酶学分析的方法对不同溶氧条件下谷氨酸发酵过程中与产物形成有关的关键酶(谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶)进行了跟踪分析，研究发现溶氧浓度对谷氨酸脱氢酶(GDH)的酶活影响很大，低溶氧条件下GDH酶活较高，同时谷氨酸和乳酸也大量生成。根据刻意设计的非正常发酵条件下的结果发现，极端缺氧条件对GDH酶活以及谷氨酸的合成有着极大的损害作用。同时还分析了溶氧(DO)与呼吸商(RQ)之间的关系，从发酵表观数据分析，在发酵产酸期DO高相应的RQ也高、DO低RQ也低，两者之间有一定的联动关系。通过对酶活的时序分析，初步阐明了该过程中细胞水平酶活力对过程代谢调节的时序性动态变化，并结合DO与RQ之间的关系，为基于RQ的平衡代谢控制提供了依据。
确立了基于RQ在线测量的控制策略，以达到调节GDH酶活以及TCA循环代谢通量，从而实现提高谷氨酸的产率的目标，并根据这种控制方法提出了“平衡代谢控制”的策略。通过分析RQ对于搅拌速度大辐阶跃式变化的时间响应，我们发现对RQ的控制完全可以通过调节转速来实现。为此我们设计了PI反馈控制器来实现对RQ的控制，从而使TCA循环的代谢通量保持在一个合适的水平以实现谷氨酸发酵过程的优化。试验结果表明通过逐级降低RQ设定值的控制策略，可以实现代谢通量在糖酵解、TCA循环以及谷氨酸形成之间达到平衡，从而实现抑制乳酸积累的目的。这一控制策略得到了优良的控制效果，相对于DO定值控制的最好结果，产酸率和产酸强度两个指标大致相同，但谷氨酸产率提高了13％，乳酸浓度为DO定值控制最好结果的35％，基本达到了在提高谷氨酸产酸率的前提下基本抑制乳酸积累的目标。
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