黑曲霉发酵过程中菌体形态的分析方法建立及应用

丝状真菌(Filamentous fungi)的发酵生产通常具有较高的工业应用价值,但其菌体形态是一个区别于其他非丝状菌的一个重要发酵指标。针对目前形态分析的瓶颈,本研究使用琼脂糖凝胶对黑曲霉菌形进行固定,利用平板实现菌球样本的大量制备,并结合图形处理软件自建自动化处理程序,实现了大量准确可靠的菌体形态参数的获得,大大增加了形态数据处理通量及准确度。应用该方法于黑曲霉发酵生产糖化酶过程中不同供氧水平及剪切水平下菌体形态的研究,通过大量形态数据定量阐明了黑曲霉在不同剪切水平下的分区域形态分布特性,为进一步工业过程的形态优化提供了重要的研究方法。     

13C标记代谢流分析中天然稳定性同位素修正矩阵构建方法及应用

稳定性同位素¹³C标记实验是分析细胞代谢流的一种重要手段,主要通过质谱检测胞内代谢物中¹³C标记的同位素分布,并作为胞内代谢流计算时的约束条件,进而通过代谢流分析算法得到相应代谢网络中的通量分布。然而在自然界中,并非只有C元素存在天然稳定性同位素¹³C,其他元素如O元素也有其天然稳定性同位素¹⁷O、¹⁸O等,这使得质谱方法所测得的同位素分布中会夹杂除¹³C标记之外的其他元素的同位素信息,特别是分子中含有较多其他元素的分子,这将导致很大的实验误差,因此需要在进行代谢流计算前进行质谱数据的矫正。本研究提出了一种基于Python语言的天然同位素修正矩阵的构建方法,用于修正同位素分布测量值中由于天然同位素分布引起的测定误差。文中提出的基本修正矩阵幂方法用于构建各元素修正矩阵,结构简单、易于编码实现,可直接应用于¹³C代谢流分析软件数据前处理。将该修正方法应用于¹³C标记的黑曲霉（Aspergillus niger）胞内代谢流分析,结果表明本研究提出的方法准确有效,为准确获取微生物胞内代谢流分析提供了可靠的数据修正方法。     

基于葡萄糖脉冲的同位素稀释质谱检测法标品制备

同位素稀释质谱检测法(IDMS)是目前进行胞内代谢物浓度高通量检测精度最高的一种方法,这个方法的关键就是制备待检测代谢物对应的~(13)C全标记的标品。传统制备~(13)C全标记标品的方法是采用批培养的模式获取,但该方法所制备的胞内代谢物浓度通常较低。通过以~(13)C全位标记葡萄糖作为唯一碳源培养毕赤酵母G/DSEL菌种,采用~(13)C全位标记葡萄糖脉冲刺激法,结合快速取样淬灭方法的新方法,成功制备了带~(13)C标记标品并提高了其浓度。经液质联用(LC-MS)与气质联用(GC-MS)结果分析,与传统制备方法相比,胞内大部分有机酸、磷酸糖、氨基酸和核苷酸类物质的浓度实现了约2–10倍的提高。因此底物脉冲法可以有效提高~(13)C全标葡萄糖的单位利用率,并能实现对胞内部分含量低于仪器检测限的代谢物的检测。     

我国工业生物过程工程研究进展

工业生物技术的进步离不开工业生物过程工程研究的不断深入及发展,我国作为工业发酵大国在工业生物技术由实验室向产业化转化过程中面对诸多挑战,由此而逐渐发展起来的我国工业生物过程工程发展先后经历了多个阶段,伴随着不同阶段的发展,我国的工业生物技术水平得到不断的提升。本文重点回顾了近三、四十年来我国工业生物过程工程发展的历程,包括早期由化工过程研究引入的动力学模型化研究、基于过程控制的优化理论与方法的应用、基于过程在线监测技术发展起来的参数相关性分析方法、过程多尺度理论的建立、基于现代固态发酵的新型固态发酵罐的设计及优化技术发展等。通过对生物过程工程发展历程的回顾对先进工业生物过程发展面临的技术难题及由此引出的未来发展重点方向进行了探讨。     

人工智能时代发酵优化与放大技术的机遇与挑战

人工智能(artificial intelligence, AI)技术正引发一场新的产业革命,其成功应用正从信息产业迅速渗透到各行各业。传统的发酵工程技术受到巨大挑战的同时更多地迎来了发展变革的机遇。首先,合成生物技术飞速发展使高性能菌株的可获得性及获取效率显著提升,对传统低效的发酵优化放大技术提出很大挑战,亟需对发酵优化放大技术进行升级,以满足高通量菌种性能验证及工艺开发能力的需求;其次,发酵装备技术的持续发展为高效发酵优化技术的进步奠定了良好基础,加之人工智能技术特别是数字孪生与知识图谱等技术的应用,将为传统发酵技术的颠覆性发展带来巨大推动力。本文分别从合成生物时代对发酵优化技术的挑战、发酵优化与放大的核心技术、高通量发酵装备技术、数据可视化技术、数字孪生及知识图谱等智能技术在发酵优化放大中的应用等几个方面进行综述,并对未来工业发酵优化技术的场景以及未来发酵技术对人才培养等提出的新要求进行了展望。     

大数据-模型混合驱动下生物过程优化与放大的新机遇与挑战

当前,生物制造技术和产业是世界关注的热点。然而,生物过程优化与放大过程中普遍面临以下几个难题,包括:过程检测手段缺乏,难以满足关键指标参数的监控;细胞代谢认知匮乏,无法理性实现过程最优化调控;反应器环境差异大,导致逐级放大效率低下。文中针对以上亟待解决的关键问题,通过案例分析介绍发酵过程实时检测-动态调控-理性放大全链条关键技术创新。在未来,生物过程设计将以集成细胞生理学(时空多尺度细胞代谢模型)和流体动力学(CFD模型)的全生命周期模型为指导,推进计算机辅助设计与开发,加速生物过程实现大规模智能化生产,开启绿色生物制造新时代。     

黑曲霉产糖化酶黑箱模型的构建和应用

利用碳限制恒化实验研究了黑曲霉生长和糖化酶生产之间的相关性,结果表明当比生长速率低于0.068 h–1时,菌体生长与产酶是相关的,当比生长速率大于0.068 h–1时,菌体生长与产酶不相关。根据恒化实验结果获得黑曲霉葡萄糖底物消耗的Monod动力学模型,并结合葡萄糖和氧消耗的Herbert-Pirt方程和产物形成的Luedeking-Piret方程构建黑曲霉产糖化酶的黑箱模型。应用该模型设计指数补料分批发酵实验控制菌体比生长速率在0.05 h–1,使糖化酶的得率最高达到0.127 g糖化酶/g葡萄糖,并成功地使用模型描述了黑曲霉产糖化酶的发酵过程。实验值和模拟值进行比较表现出很好的适用性,表明黑箱模型可以用于指导黑曲霉产糖化酶发酵过程的设计和优化。     

生物反应器流场特性研究及其在生物过程优化与放大中的应用研究

生物反应器是实现生物过程的核心设备,其内进行的生物反应过程受不同反应器内流场结构的影响会产生差异显著的结果,这也是导致生物过程放大困难的关键问题之一。为研究这一问题,必须对不同规模反应器内流场结构有充分的认识,必须对反应器内的混合、传质、剪切等影响生物过程的几个关键方面进行深入研究。首先简单介绍了反应器流场研究的实验及数值模拟方法,在此基础上详细论述了流场混合与传质对生物反应过程的影响,流场剪切对丝状菌形态及其生物过程的影响,最后从反应器流场与细胞生理代谢特性整合的角度,介绍了反应器流场与细胞生理之间的相互作用关系,并以三个实例简单介绍了基于Euler-Lagrange模拟框架的整合流场和细胞动力学模型的模拟方法及模拟结果。旨在通过介绍反应器流场研究及其在生物过程优化放大中的应用,提出基于反应器流场特性与细胞动力学响应的生物过程放大研究方法,为更高效、理性地生物过程放大提供一些理论参考。     

基于热力学原理约束的代谢网络模型研究进展及其应用

高通量组学技术为人们研究生命系统组件提供了细节数据,通过对基因组、转录组、蛋白质组及代谢组等不同生命层级间相互作用的研究,推动了生化反应网络的重建——基因组规模代谢网络模型(genome scale of metabolic network model,GSMM).GSMM作为系统生物学领域中研究生命系统的基本手段,表...     

生物反应器及其研究技术进展

阐述了生物反应器设计、放大的新理念及关键技术发展,并在此基础上综述了应用于生物技术产品生产的生物反应器的主要发展趋势,包括以代谢流分析为核心的生物反应器系统、基于计算流体力学模拟技术的传统发酵罐改良、微型生物反应器、动物细胞反应器和酶反应器。