微生物代谢过程的高度复杂性、不确定性以及实际生产过程的特殊性,造成了很多工业发酵过程难以成功实现优化。只有深刻了解微生物胞内代谢通量变化与胞外宏观代谢参数的之间的相互关系,才有可能对其进行系统全面的优化。如何在大规模发酵过程中实施13C代谢通量分析并可靠获取胞内代谢通量的相关信息,是发酵工程领域遇到的共同难题。本文以维生素B12发酵过程为对象,从全合成培养基筛选、微型传感反应器系统开发、标记信息处理等多个方面探讨了解决这个问题的方法。　　 本文首先结合维生素B12生产菌脱氮假单胞杆菌P.denitrificans的生理代谢特性,通过Plackett-Burman试验设计,筛选出了适合13C标记实验的全合成培养基,同时考察了铵离子及维生素B12合成前体物质对发酵过程的影响。　　 由于标记底物价格昂贵,不可能在生产大罐上进行标记实验。本文考察了一种以模拟生产大罐发酵过程为目的、可用于同位素标记实验的微型传感反应器系统(容积80mL),并从氧传递能力、菌浓、葡萄糖消耗速率、二氧化碳释放速率及有机酸和氨基酸生成速率等多方面考察了两个反应器的相似性。通过控制微型反应器的氧消耗速率OUR,使其迅速跟随生产大罐OUR的变化,微型传感反应器能很好地对生产发酵过程中的代谢状态进行跟踪,从而可在小规模的传感反应器中进行标记实验,用小规模传感反应器上的标记实验去考察较大规模的生产发酵过程的胞内代谢通量特征。　　 在全合成培养基中分别利用1-13C和U-13C葡萄糖作为标记底物,在多个微型传感反应器中同步进行了13C标记实验,建立并鉴定了P.denitrificans发酵生产维生素B12的代谢网络。该细胞代谢网络中葡萄糖主要经由ED途径、PP途径代谢和TCA循环进行代谢,EMP途径通量很低或是不存在。　　 在上述三项研究成果的基础上,对维生素B12分批发酵过程不同阶段的代谢通量进行了分析,发现在维生素B12快速合成阶段羧化途径通量较强。鉴于羧化回补途径中CO2的重要性,研究了CO2对维生素B12合成阶段发酵过程的影响,结合宏观代谢相关参数变化和微观代谢通量分析,提出了发酵过程中基于搅拌和通气协同作用的CO2优化控制策略,该优化策略下维生素B12的发酵单位达到了235.4 mg L-1。