2013,33(2) 王萍等 : 生理代谢参数 RQ 在指导发酵过程优化中的应用 89 的是产物 (R p ) 和副产物 (R b ) 的合成代谢, 不同的发酵产物或生产同一产物的不同微生物, 由于其微观代谢途径及通量的不同, 造成了氧消耗和二氧化碳生成量的显著差异因此通过控制发酵过程中合理的呼吸

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1 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology,2013,33(2):88 95 生理代谢参数 RQ 在指导发酵过程优化中的应用王 1,2 萍 2 王泽建 2 张嗣良 (1 河北医科大学西山校区石家庄华东理工大学生物反应器国家重点实验室国家生化工程技术研究中心上海 ) 摘要过程在线参数检测是进行发酵过程工程优化控制的基础呼吸熵 RQ 是微生物胞内微观代谢流在宏观代谢参数上的响应, 反映了微生物培养过程中底物的利用情况产物和副产物的合成情况及微观代谢途径通量的变化结合发酵葡萄糖酸 2,3 丁二醇谷氨酸柠檬酸头孢菌素 C 毕赤酵母 α 干扰素产品的工业生产过程, 分析了以微生物胞内微观代谢与宏观的生理参数 RQ 为指导的发酵工艺优化策略 RQ 值在发酵过程中可以根据尾气数据进行在线采集, 对指导通过宏观代谢参数的调控来最优化微生物胞内的代谢途经通量, 提高目的产物的产率具有非常重要的意义关键词发酵过程微观代谢宏观代谢呼吸熵优化中图分类号 Q819 随着环境污染的不断加剧原材料成本和动力消耗成本的增加, 我国的有机酸氨基酸维生素抗生素多糖和生物燃料等微生物发酵生产行业市场竞争日益激烈, 发酵过程工艺的优化控制技术越来越成为提高发酵产品竞争力的关键 [1] 过程参数是进行发酵过程优化控制技术研究的基础, 根据测定方式的不同分为在线参数和离线参数, 在线参数主要有溶氧 ph 在线活菌量氧化还原电位氧消耗速率 (OUR) 二氧化碳释放速率 (CER) 和呼吸熵 (respiratoryquotient, RQ) 等, 离线参数主要包括残留底物浓度产物副产物浓度及比合成速率等 [2 3] 发酵工业的发展研究表明, 停留在以反应器尺度参数 (ph 溶氧底物浓度温度转速通气量等 ) 调控上的优化及放大工艺研究存在很大的技术局限性在微生物发酵过程中, 从微观代谢的角度了解细胞内部代谢物质流情况, 并对整个发酵过程进行有效及时的工艺调控是非常重要的在需氧微生物发酵过程中, 呼吸熵是细胞代谢过程中 CO 2 释放速率与氧消耗速率的比值, 是反映发酵过程中微生物生理代谢状态胞内收稿日期 : 修回日期 : 国家 863 计划 (2012AA021201) 国家青年科学基金 ( ) 资助项目通讯作者, 电子信箱 :wangzejian@ecust.edu.cn 代谢途径通量分布情况和衡量发酵水平的重要指标 [4 5] OUR 和 CER 参数在新型工业发酵生产中很容易实现在线测量, 因此我们就可以得到实时的 RQ 值变化趋势来确定发酵过程的代谢情况, 它是我们将宏观代谢尺度和胞内微观代谢尺度相结合来研究和指导发酵过程优化控制的纽带 [6] 通过工艺的调整来维持发酵过程中合适的 RQ 值, 就能够很好地控制发酵过程中微观代谢途径通量的变化, 促进产物的产率和底物转化率, 最大限度地减少副产物的积累, 提高发酵水平 [7] 1 发酵过程中 RQ 的概念及影响因素随着发酵过程装备技术的不断发展, 尾气采集分析系统逐渐成为了微生物发酵生产过程检测与控制的重要检测仪器与传统的基于溶氧电极 ph 电极氧化还原电极在线活菌浓仪的检测相比, 通过尾气分析得到的参数 OUR 和 CER 反映了微生物的呼吸代谢情况, 能更加深入地揭示微生物的生理特性, 尤其是得到的微生物呼吸熵 RQ, 反映了菌体的生理代谢状态, 揭示了发酵过程微观代谢途径通量的变化, 是微生物菌体生长能量代谢维持产物和副产物合成代谢共同作用的结果受到发酵过程中工艺控制条件和菌体阶段性代谢状态的影响 ( 图 1, 图 2)

2 2013,33(2) 王萍等 : 生理代谢参数 RQ 在指导发酵过程优化中的应用 89 的是产物 (R p ) 和副产物 (R b ) 的合成代谢, 不同的发酵产物或生产同一产物的不同微生物, 由于其微观代谢途径及通量的不同, 造成了氧消耗和二氧化碳生成量的显著差异因此通过控制发酵过程中合理的呼吸熵, 能够最大限度地促进产物的合成途径通量提高发酵产量, 节约发酵成本图 1 好氧和微好氧微生物培养过程中的物质代谢简图 Fig.1 Simplifiedstructureofmetabolicpathways involvedundermicroaerobicandaerobic conditionsofmicroorganism Solidlines:fluxesofintermediatesandNADH 2 ;Dashed lines:fed backregulationsbynadh 2 andco 2 微生物发酵过程中因消耗底物种类及合成产物的不同, 使得胞内代谢途径网络呈现明显的差异, 从而影响了代谢过程中二氧化碳生成速率和氧消耗速率的变化, 即影响了 RQ 值 [8] 以葡萄糖为碳源进行菌体细胞生长时, 菌体的呼吸熵 R c 值在 1 左右发酵过程中菌体为了维持自身的生命活动, 通过酵解途径 TCA 循环等将葡萄糖完全分解为二氧化碳和水, 同时提供大量的 ATP, 对应的 R m 值等于 1 另一个主要影响 RQ 值图 2 好氧和微好氧微生物培养过程中 RQ 与过程代谢之间的关系 Fig.2 TherelationshipofRQ andthemetabolic procesofmicroorganism under microaerobicandaerobicconditions 微生物微观代谢流的不同使得它们在发酵生产过程中呈现不同的呼吸熵 RQ 值, 表 1 是部分工业需氧微生物在发酵过程中氧消耗特性和呼吸熵情况表 1 部分微生物在工业发酵生产过程中的最佳 OUR CER 和 RQ 值情况 Table1 TheoptimalOUR,CERandRQ valueofseveralmicroorganismsduringtheindustrialfermentationproces Product Strain OUR(mmol/L/h) CER RQ Lactate [9] Baciluscoagulans 0.96± ± ±0.3 Gluconate [10] Aspergilusniger 22± ± ±0.004 CephalosporinC [11] Acremoniumchrysogenum 50±2.2 36± ±0.16 Penicilin [12] Peniciliumchrysogenum 46.3± ± ±0.04 [13] VitaminB 12 Pseudomonasdenitrificans 28.9± ± ±0.06 Citrate [14] Aspergilusniger 22.1± ± ±0.04 2,3 butanediol [7] Enterobacteraerogenes 35.0± ± ±0.3 Glutamate [15] Corynebacteriumglutamicum 78.6± ± ±0.03 Guanosine [16] Bacilussubtilis 38.7± ± ±0.05 Ethanol [17] Sacharomycescerevisiae 1.35mmol/g/h 18.3mmol/g/h 12~ 底物利用情况对 RQ 值的影响 RQ 值与微生物利用的底物有着密切的关系在好氧和微好氧发酵过程中, 菌体摄取的碳源经过有氧呼吸产生 CO 2, 由于各种碳源底物还原度不同往往使得分解代谢过程氧的消耗量各不相同还原度越低, 微生物完全氧化时的需氧量也越高, 因此对应的 RQ 值越低不同底物因分子结构具有不同的碳氧比 (C/O), 使得相同摩尔质量的底物完全氧化产生 CO 2 所需消耗的氧气量也不同葡萄糖完全氧化时的 RQ 值等于 1, 还原度高的棕榈油大豆油等完全氧化时的 RQ 值小于 1, 氧化度较高的苹果酸琥珀酸等底物被完全氧化时的 RQ 值大于 1 不同底物完全氧化的好氧情况及 RQ 值见表 2 在利用复合培养基的工业发酵生产过程中, RQ 值的变化可以用来监控底物利用情况, 也是反映微生物过程由生长阶段向产物合成阶段过渡的重要指标

3 90 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.33No [18] 表 2 不同底物完全氧化的机理及呼吸代谢情况 Table2Themechanism andoxygenconsumptionofvarioussubstratesunderabsoluteoxidization Substrate Molecular formula TheratioC/O Reactionmechanism RQ glucose C 6 H 12 O 6 1 C 6 H 12 O 6 +6O 2 6CO 2 +6H 2 O =1 palmoil C 16 H 31 O 2 >1 C 16 H 31 O 2 +11O 2 C 12 H 22 O 11 +4CO 2 +5H 2 O <1 Malicacid C 4 H 6 O 5 <1 C 4 H 6 O 5 +3O 2 4CO 2 +3H 2 O >1 Ethanol C 2 H 6 O >1 C 2 H 5 OH+3O 2 2CO 2 +3H 2 O 0.67 同种底物被胞内利用途径方式不同,RQ 值也不同碳源进入菌体并不一定被完全氧化生成 CO 2, 而是根据需要在胞内存在底物分配 : 菌体需要进行异化代谢获得能量, 形成 ATP 或还原力 NADH(NADPH); 细胞在生长过程中需要进行合成代谢, 以合成必需的蛋白质 DNA 细胞壁等物质 ; 此外, 在细胞的代谢活动中, 菌体的运动物质的主动运输细胞内大分子物质的周转等与生长没有直接关联的代谢活动都需要消耗能量, 称之为维持代谢对于这些过程, 消耗氧气的情况各不相同 1.2 胞内代谢网络通量不同导致 RQ 值的变化 RQ 是微生物培养过程中二氧化碳生成和氧的消耗共同作用的结果, 因此胞内代谢途径的不同显著影响着 RQ 值代谢产物合成途径与 RQ 之间的关系微生物发酵过程中, 底物通过物质转运进入胞质, 经过复杂的 [19] 表 3 酿酒酵母代谢葡萄糖不同代谢途径的 RQ 值代谢途径, 生成不同的代谢终产物在此过程代谢途径中产生 CO 2, 生成还原力, 还原力经呼吸链被氧化不同产物生物合成途径不同, 再加上不同微生物途径酶系的呼吸速率的差异, 使得合成过程中 CO 2 生成速率与氧的消耗速率各不相同, 从而使得 RQ 值呈现显著差异 ( 图 3) 例如:S.cerevisae 以葡萄糖作底物进行发酵, 在完全好氧途径中, 产生 CO 2 和 H 2 O, 经历反应 (1),RQ 值等于 1; 在单纯的乙醇合成途径中, 经历反应 (2), 胞内还原力 NADH 生成与消耗平衡, 同时生成 2 分子的 CO 2, 因此 RQ 值为无穷大 ( 表 3) 在同型乳酸发酵过程中, 从合成途径分析 ( 反应 3), 没有 CO 2 生成, 而且 EMP 途径中生成的 NADH 被全部用于乳酸的合成, 无法进行 RQ 值的计算 C 6 H 12 O 6 +6O 2 6CO 2 +6H 2 O (1) C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH+2CO 2 (2) C 6 H 12 O 6 +2ADP 2C 3 H 6 O 3 +2ATP (3) Table3 TherespiratoryquotientofglucoseutilizationbySaccharomycescerevisiaeunderdiferentmetabolicpathways Raction CER 和 OUR RQ Metabolicpathway (1)(2) CER>OUR RQ>1 Aerobicethanolbiosynthesis (1) CER~OUR RQ~1 Respiratoryformaintaining (3) CER~2/3OUR RQ~2/3 Aerobicethanolutilization (2) OUR~0 RQ~ Anaerobicfermentation 不同微生物生成同种产物的 RQ 值不同在工业发酵过程中, 同样的代谢产物往往可以通过不同的微生物来生产获得, 不同的微生物在代谢过程中, 伴随着不同副产物量和种类的积累, 同时对维持能的需求也有较大差异, 这些生理代谢特性的差异影响着发酵过程宏观代谢参数 RQ 的变化如在乳酸发酵过程中, 利用凝结芽孢杆菌发酵过程中 RQ 维持在 3.2±0.3 能得到最大的乳酸比合成速率 3.5g/gDCW/h( 单位菌体单位时间的乳酸合成量 ), 而在拟干酪乳杆菌进行的乳酸生产过程中 RQ 维持在 1.3±0.2 时, 乳酸的最大比合成速率达到 5.8g/gDCW/h 这主要是由它们在代谢过程中, 积累的副产物的量和种类的不同所决定的 [20] 2 RQ 在发酵过程控制中的应用在好氧和微好氧发酵过程中, 氧作为电子受体和酶的调控因子用于微生物的生长和代谢通常是通过呼吸链电子传递系统氧化那些在发酵过程 TCA 循环及生物合成过程中产生的还原性 NAD(P)H 或 FADH RQ 值是微生物胞内代谢的综合结果, 受到消耗的底物菌体的生长产物的合成代谢副产物的生成菌体的能量维持等的影响合理的 RQ 值控制是权衡胞内微观代谢途径通量, 提高发酵产量和转化率的关键指标 [7] RQ 已经成功地应用于有机酸氨基酸抗生素

4 2013,33(2) 王萍等 : 生理代谢参数 RQ 在指导发酵过程优化中的应用 91 图 3 微生物主要代谢途径分析 Fig.3 Themainbiosynthesispathwayofsome productswithindustrialmicroorganism 等发酵工艺的控制过程 2.1 葡萄糖酸钠发酵过程中 RQ 的控制葡萄糖酸钠由葡萄糖经葡萄糖糖化酶催化生成, 生产过程中多采用黑曲霉以葡萄糖为底物进行发酵生产从化学反应方程式来看 ( 公式 4), 在合成途径中生成一分子的 FADH 2,FADH 2 在呼吸链中以氧为受体被氧化 [21] 在葡萄糖酸快速合成过程中, 需要消耗大量的氧菌体的生长维持与氧和氮源的供给也紧密有关, 因此在氮源限制的发酵生产过程中, 葡萄糖酸的转化率主要决定于氧的供给速率和菌体维持的消耗, 过高的供氧使得菌体具有高的维持能, 使得糖耗增加因此发酵过程中, 在增加供氧的同时, 还要考虑菌体维持能的变化, 使葡萄糖酸的产率和转化率维持在最佳的代谢状态 [10] RQ 值是反映葡萄糖酸发酵过程中底物葡萄糖转化效率的重要指标当发酵过程氧的消耗速率增加到 28±0.2mmol/L/h 时,RQ 值达到最低为 0.026±0.004, 菌体合成葡萄糖酸钠的速率最快达到了 16.8g/L/h, 而且转化率最高达到了 95%( 摩尔比 ), 发酵过程最经济 D Glucose+ 1 2 O 2 D Gluconate (4) 2.2 2,3 丁二醇发酵过程的 RQ 控制工艺在溶氧趋近于零的发酵过程中, 设备氧传递速率 (OTR) 对优化发酵培养过程起着非常关键的作用, 控制在特定的水平能够减少被氧化的 NADH 的量, 同时 TCA 循环通量能够控制在最优的水平 RQ 值可以根据代谢途径的变化通过实验或经理论计算得到 ( 图 4), 是发酵过程中进行供氧优化控制非常重要的参数尽管 2,3 丁二醇产物是厌氧代谢产生的, 维持溶氧浓度为零能明显促进 2,3 丁二醇的合成量, 氧的供给速率在其发酵过程中起着关键的作用, 在连续培养过程中控制合适的 OUR 能得到最高的产率在这种合适的 OUR 下, 菌体呼吸强度 OUR 为 3.6mmol/g/h, 对应的产物合成速率为 0.61g/g/h, 因此在微好氧的发酵过程中, 控制发酵途径和 TCA 循环途径的通量比例是至关重要的 [7] 在 2,3 丁二醇的发酵过程中, 通过控制 RQ 来控制 Q O2 是可行的,RQ 控制在 4.46 对 2,3 丁二醇的合成最有利, 同时转化率也最高, 这个值还可以根据途径的反应方程直接计算得到当 RQ 升到 4.5 以上时, 就导致了分支途径乙醇合成途径通量的增加在以 RQ 为控制的发酵培养过程中 2,3 丁二醇的产量达到了 g/l, 比利用 OTR 控制的发酵培养模式提高了 25% 以上 2.3 RQ 控制在谷氨酸发酵过程中的应用在利用谷氨酸棒杆菌 S9114 进行谷氨酸发酵代谢过程中, 呼吸熵 RQ 与自 α 酮戊二酸节点以下的 TCA 循环代谢通量的变化趋势和羧化途径通量是有关联的 ( 图 5) 在菌体生长期,RQ 值随着菌体的生长而增大 ; 在产酸期,RQ 值和 TCA 代谢通量由于溶氧条件的不同而明显不同高溶氧条件下,RQ 值稳定在 0.8 附近, 而低溶氧条件下,RQ 值逐步下降到 0.5~0.6 之间理论上,RQ 值为 1 时,TCA 通路被完全打开, 葡萄糖经 TCA 通路完全转化为水和二氧化碳在谷氨酸发酵过程中,TCA 循环中 α 酮戊二酸节点下游途径通量的限制和固定化二氧化碳的羧化途径的增强, 是促进谷氨酸快速合成的必要条件当 RQ 值降低到 0.5~ 0.6 之间时,TCA 下游的代谢通量将完全关闭, 回补途径生成草酰乙酸的通量达到最高 [15] 另外, 高 RQ 值意味着 TCA 下游代谢通量较大, 造成大量的葡萄糖经 TCA 循环生成水和二氧化碳, 造成转化率的大幅度降低因此在发酵生产过程中通过合理的溶氧调节控制 RQ 值在 0.5, 将 TCA 循环的通量控制在合理水平, 同时保持谷氨酸脱氢酶 (GDH) 的高活力, 用 TCA 代谢通量 r a 和谷氨酸的合成速率 (r b ) 平衡整个来自于葡萄糖消耗和酵解的碳流, 避免乳酸的过量外溢 (r c ), 使谷氨酸发酵的产酸率和糖酸转化率都较高 2.4 RQ 在头孢菌素 C 和阿维菌素发酵过程中的应用 [22] 李景森等在研究头孢菌素 C 发酵过程时, 考察

5 92 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.33No 图 4 葡萄糖酸生物合成途径及发酵过程宏观代谢动力学变化 Fig.4 Thebiosyntheticpathwayandglobalmetabolicdynamicsofindustrialgluconatefermentation 图 5 谷氨酸生物合成途径及发酵过程宏观代谢动力学变化 Fig.5 Thebiosyntheticpathwayandglobalmetabolicdynamicsofindustrialglutamatefermentation 了细胞宏观代谢流特征参数 RQ 在头孢菌素发酵过程中的变化, 并分析了 RQ 值的变化与底物利用之间的关系进而, 在头孢菌素 C 发酵过程放大研究中通过比较呼吸熵 RQ 在小试 50L 发酵罐和工业规模 160m 3 发酵罐上的差异, 发现了大型工业发酵罐中, 后期流加的基质油的利用程度大大低于小试发酵罐 ; 与此同时, 通过计算流体力学对工业规模发酵罐的流场特性研究表明 : 由于反应器中搅拌形式的不合理而导致反应器的混合特性差, 基质在工业规模罐中的分布存在浓度梯度, 影响了细胞对基质利用, 从而导致 RQ 的较大变化, 使得基质利用率低发酵单位低 ; 通过及时调整了发酵设备, 改善了反应器的混合问题, 提高了基质的利用程度, 使发酵单位提高 20% 以上同时,RQ 值还可以与发酵过程中其它的在线参数 [23] 相结合, 指导发酵过程工艺控制巫延斌等在阿维菌素的发酵过程中后期, 利用 RQ 的变化作为补加底物葡萄糖的重要指标, 并与过程 ph 变化相结合合理地控制补糖速率, 抑制了过程有机酸的积累, 明显促进了产物的合成 2.5 柠檬酸发酵过程中 RQ 的控制柠檬酸主要是通过黑曲霉利用糖类发酵生成, 从代谢途径分析来看, 葡萄糖经 EMP HMP 途径降解生成丙酮酸, 丙酮酸一方面氧化脱羧生成乙酰辅酶 A, 另一方面经二氧化碳固定化反应生成草酰乙酸, 草酰乙

6 2013,33(2) 王萍等 : 生理代谢参数 RQ 在指导发酵过程优化中的应用 93 酸与乙酰辅酶 A 缩合生成柠檬酸生物化学合成分子式表征如下 : C 6 H 12 O O 2+3NAD + +ADP C 6 H 8 O 7 +2H 2 O +3NADH+ATP 由葡萄糖生成柠檬酸的过程中, 碳原子没有损失, 而在乙酰辅酶 A 与草酰乙酸缩合时, 又引进了一个氧原子 ; 从反应方程来看, 生产的产物 NADH 抑制柠檬酸合酶和丙酮酸脱氢酶, 高比例的 [NADH]/[NAD + ] 不利于 EMP 途径的通量, 从而使糖耗降低, 产物合成速率下降 [24] 因此在发酵过程中, 必须保证充足的供氧速率来提供 NADH 重新氧化的氢受体但从上述合成途径来看, 当 TCA 循环和 HMP 途径都很弱时, 过程中几乎没有二氧化碳的生成, 因此 RQ 值也应非常低然而在实际的发酵过程中, 菌体还会通过 HMP 途径和 TCA 循环为菌体生长和维持提供中心碳骨架和能量据报道 [14], 在菌体生长期,EMP HMP 的比例约为 2 1, 而在快速合成期该比例增加到了 5 1 从发酵过程代谢参数图中可以看出, 随着发酵过程中菌体的生长,RQ 逐渐增加到 0.76, 随后 RQ 值开始下降, 说明柠檬酸合成途径通量开始大幅度增强, 由丙酮酸脱氢酶催化生成的二氧化碳被固定化用于由三碳羧化生成草酰乙酸的羧化回补途径, 因此, 二氧化碳的释放速率随着柠檬酸合成速率的增加而迅速下降 [25] ( 图 6) 在柠檬酸的快速合成过程中, 生成了大量的 NAD(P)H, 这些还原力除了用于菌体生长以外, 绝大部分还需要通过呼吸链被氧化, 以减少过多的 NAD(P)H 对糖消耗和柠檬酸合成途径酶活性的反馈抑制作用由此可见保证充足的供氧, 同时控制更多的二氧化碳被羧化利用, 是提高柠檬酸产量和增加转化率的最佳控制模式图 6 柠檬酸生物合成途径及发酵过程宏观代谢动力学变化 Fig.6 Thebiosyntheticpathwayandglobalmetabolicdynamicsofindustrialcitratefermentation 2.6 RQ 在工程菌发酵表达代谢产物生产过程中的应用 [3] 首先应用于补料工艺上杭海峰等在以葡萄糖为生长相基质的重组毕赤酵母表达植酸酶发酵时, 根据 RQ 值来调控补料速率, 通过控制葡萄糖补料速率使 RQ 维持在 0.9~1, 来保证葡萄糖被充分利用, 以此实现了毕赤酵母高密度培养徐俊等利用呼吸熵作为监控毕赤酵母发酵表达猪 α 干扰素 (plfn α) 活性水平重要指标在 5L 发酵罐中开展毕赤酵母流加培养表达 plfn α 研究中发现, 诱导阶段,RQ 稳定情况可以作为反映底物甲醇浓度水平是否合适以及菌体活性高低的监控指标当甲醇浓度维持在 8~12g/L 水平时,RQ 在整个诱导阶段能稳定控制在 0.4~0.5 之间某个特定值上, 同时 plfn α 最高活性都能维持在 10 6 IU/ml 水平通过控制甲醇浓度将 RQ 分别控制在 0.15~0.4 或 0.4~0.8 情况下, 相应的 plfn α 最高活性只能达到在 10 3 IU/ml 和 10 4 IU/ml 水平上 [26] 总之,RQ 作为重要的微生物生理代谢特性参数, 反映了发酵过程中底物消耗菌体生长产物合成副产物积累等过程的动态变化, 被广泛应用于各种微生物发酵生产过程工艺的优化 RQ 值反映了微生物胞内微观代谢途径通量变化, 控制合理的 RQ 值能够避免代谢途径中的阻遏现象降低底物的无效消耗最大限度地促进目的产物的合成速率, 同时也是生产过程中进行发酵过程放大的重要依据

7 94 中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology Vol.33No 结论发酵过程在线参数是进行发酵过程工艺优化调控的基础微生物发酵过程中,RQ 值是胞内微观代谢途径通量变化的重要指标, 有助于让我们从微观代谢的角度了解细胞内部代谢物质流能量流和信息流情况, 并与宏观代谢过程参数变化相结合, 深入了解发酵过程细胞和反应器尺度参数之间的紧密关系, 对整个发酵过程进行有效及时的工艺调控起到了非常关键的作用 RQ 是微生物胞内微观代谢途径通量变化在宏观代谢中的反映, 对指导通过宏观代谢参数的调控来最优化微生物胞内的代谢途经通量, 提高目的产物的产率和发酵生产的转化率具有非常重要的意义在先进的发酵工艺优化过程中, 应该将 RQ 值的变化与培养基的组成培养的环境条件代谢产物的合成速率菌体的生长速率维持能的消耗等相结合, 必将促进我们对生产菌生理代谢特性的深入了解, 彻底地分析发酵过程变化, 是进行工艺优化和发酵产品质量监控的关键参考文献 [1] 张嗣良, 储炬, 庄英萍, 抗生素发酵过程优化技术研究. 中国抗生素杂志,2002,27: ZhangSL,ChuJ,ZhuangYP.Optimizationoftheantibiotics fermentationproceses.chinesejournalofantibiotics,2002,27: [2]JunkerBH,WangH Y.Bioprocesmonitoringandcomputer control:key rootsofthe curentpat initiative. Biotechnol Bioeng,2006,95(2): [3] 杭海峰, 叶新嗥, 郭美锦,etal. 以葡萄糖为生长相基质的重组毕赤酵母表达植酸酶发酵. 工业微生物,2009,39(4): HangHF,YeXH,GuoM J,etal.Productionofrecombinant phytasebypichiapastorisusingglucoseasthegrowthsubstrate. IndustiralMicrobiology,2009,39(4): [4]WangY,ChuJ,ZhuangY,etal.Industrialbioprocescontrol and optimization in the context of systems biotechnology. BiotechnolAdv,2009,27(6): [5] 张嗣良, 发酵过程多水平问题及其生物反应器装置技术研究基于过程参数相关的发酵过程优化与放大技术. 中国工程科学,2001,3: ZhangSL.Studyonthefermentationprocesatmulti levelsin bioreactorandaplicationforspecialpurposes optimizationand scalingupofthefermentationprocesbasedontheparameter corelationmethod.engineeringscience,2001,3: [6]ZhangS,ChuJ,ZhuangY.A multi scalestudyofindustrial fermentationprocesesandtheiroptimization.advbiochem Eng Biotechnol,2004,87: [7] Zeng A P, DeckwerW D. Bioreaction techniquesunder microaerobicconditions:from moleculartopilotplantreactors. ChemicalEngineeringScience,1996,51(10): [8] Franzen C J. Metabolic flux analysis of RQ controled microaerobic ethanolproduction by Sacharomycescerevisiae. Yeast,2003,20(2): [9]PayotT,ChemalyZ,FickM.LacticacidproductionbyBacilus coagulanskineticstudiesandoptimizationofculturemedium for batch and continuous fermentation. Engyme Microbiology Technology,1999,24(2): [10]AnastasiadisS,RehmHJ.Continuousgluconicacidproduction bytheyeast likeaureobasidiumpululansinacascadingoperation oftwobioreactors.applmicrobiolbiotechnol,2006,73(3): [11]ShinHY,LeeJY,ChoiHS,etal.Productionofcephalosporin C using crude glycerolin fed batch culture ofacremonium chrysogenumm35.jmicrobiol,49(5): [12] IudinaO D,LevitovM M,BuneevaT A.[Respirationof Penicilium chrysogenum 194duringfermentationofpenicilin. Mikrobiologia,1969,38(4): [13]WangZJ,ZhangYM,WangHY,etal.ImprovedvitaminB 12 productionbystepwisereductionofoxygenuptakerateunder disolved oxygen limiting levelduring fermentation proces. BioresourceTechnology,2010,101(8): [14]LoftyW A,GhanemKM,El HelowER.Citricacidproduction byanovelaspergilusnigerisolate: I.Optimizationofproces parametersthroughstatisticalexperimentaldesigns.bioresource Technology,2007,98(18): [15] 肖杰. 基于呼吸熵在线检测的谷氨酸发酵过程控制研究. 无锡 : 江南大学,2008. XiaoJ.Fermentationprocescontrolbasedontheon-lineRQ detection in glutamic acid production. Wusi: Jiangnan Universiry,2008. [16] 陈双喜, 蔡显鹏, 储炬, 等. 鸟苷发酵过程中参数相关特性的研究. 华东理工大学学报 ( 自然科学版 ),2003,29(5): ChenSX,CaiX P,ChuJ,etal.Parametercorelationof guanosinefermentationproces.journalofeastchinauniversity ofscienceandtechnology(naturalscienceedition),2003,29 (5): [17]AonJC,CortasaS.Involvementofnitrogenmetabolism inthe triggeringofethanolfermentationinaerobicchemostatculturesof Sacharomycescerevisiae.MetabEng,2001,3(3): [18]TiborA,WernerZ,ManfredP,etal.Onlinerespirationactivity

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