生物经济的蓬勃发展对以生产生物质化学品为代表的生物炼制提出了更高的要求。1,3-丙二醇(1,3-PD)是重要的化工原料,广泛应用于各个行业。近30年来,生物法发酵甘油生产1,3-PD备受人们关注,其具有绿色环保、可再生及废弃物资源化等优势,但相比于传统的化学生产方法,仍不具有成本优势,目前亟待解决的问题是甘油转化率和生产强度仍然不理想。本文针对克雷伯氏杆菌发酵甘油生产1,3-PD的过程,通过数学建模分析对其代谢过程进行了深入研究,预测发酵过程的动态行为,并提出优化控制策略,主要的研究内容如下:首先,将基因组尺度的通量平衡分析与胞外代谢物的动力学模型结合,构建了基于动态通量平衡分析的优化方法。经过计算分析获得了拓展的代谢途径,几个新增的重要节点包括:在二羟基丙酮(DHA)节点引入了能为系统提供更多还原当量的磷酸戊糖途径(PPP);在3-磷酸甘油酸(3PG)节点存在合成氨基酸的支路;在三羧酸循环(TCA)中的α-酮戊二酸节点引入谷氨酸以及其他氨基酸的合成代谢途径,构建了更完整的通路。在此基础上,重点分析了代谢途径中关键节点支路的动态通量分布与1,3-PD产率的关系:DHA进入磷酸戊糖途径的动态通量变化与1,3-PD产率呈正相关;TCA循环途径中通量变化与产率成正相关。此外,发现TCA循环通过α-酮戊二酸和半胱氨酸与其他代谢途径形成复杂的耦合关系,与1,3-PD的产率构成相关性;氨基酸合成代谢途径中,辅酶四氢叶酸构成的反馈循环会对TCA的通量变化产生干扰。其次,利用整体建模方法克服发酵过程模型的不确定性,提高了模型的预测性能。通过灵敏度分析,确定对模型影响较大的参数作为整体建模的调节参数;经过对比选定适合的模型误差阈值,在可适范围内利用均匀采样方法生成尽可能多的等效参数集合,在并行计算的基础上开展整体建模的应用。结果显示,在连续发酵过程中,整体建模的预测值与实验测量值的平均相对误差由原来的11.90%降低为7.95%,显著优于常规单参数模拟结果,表明该方法能够有效提高模型预测能力。此外,分别确定了最优生产强度和产率以及对应的操作条件:在间歇过程中,最大生产强度为37.45 mmol·L-1·h-1、产率为0.70 mol·mol-1,对应的初始甘油浓度分别是1020 mmol·L-1和1070 mmol·L-1;在连续过程中,最大生产强度为93.94 mmol·L-1·h-1,对应的最佳操作条件是初始甘油浓度为780 mmol·L-1、稀释速率为0.23 h-1,而最优产率为0.68 mol·mol-1,对应的初始甘油浓度为880 mmol·L-1、稀释速率为 0.09 h-1。最后,通过数学函数连续性分析深入研究了单罐、双罐连续发酵的多稳态及振荡特性。在不同的初始甘油浓度或稀释速率下,系统均会出现多稳态现象,并通过双因素分析,得到多稳态出现的临界区域,该区域内部的稳态是不稳定的。之后,采用数学规划方法对双罐发酵过程中的两级稀释速率及初始甘油浓度进行了优化,得到了最佳操作条件:初始甘油浓度为900 mmol·L-1,#1反应器的稀释速率为0.21 h-1,#2反应器的稀释速率为1.37 h-1。此外,基于反馈控制理论,设计优化了受残余甘油和产物1,3-PD浓度影响的稀释速率控制策略,可作为实践中连续培养的进料方案。控制稀释速率可提高产物浓度,同时极大地缩短了系统达到稳定所需的时间。在单罐和双罐发酵过程中,调整时间分别从77.82/53.66 h缩短到31.24/22.68 h,可显著降低发酵初期阶段甘油的损耗,同时提高了生产强度。综上所述,通过数学模拟对克雷伯氏杆菌的甘油代谢途径的深入分析,克服了模型的不确定性,提高了模型的预测能力,优化控制发酵过程,这些工作为提高1,3-PD的发酵生产性能提供了理论指导,具有潜在的实践应用价值。