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1,3-丙二醇(1,3-PD)作为重要的化工原料,在化妆品、医药等多个领域中有广泛应用,特别因其可作为合成聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)的单体而备受关注。相对于传统的化学合成法生产1,3-丙二醇而言,生物合成法更具发展前景。采用高浓度底物连续发酵是生物转化法生产中提高底物转化率和生产强度的有效手段,但在较高底物和产物浓度下,发酵过程易产生振荡、多态等动态行为。本论文以Klebsiella peneumoniae(K.peneumoniae)生物转化甘油生产1,3-丙二醇为研究对象,首先,从代谢物水平研究高浓度甘油诱导K.peneumoniae连续发酵振荡行为。发酵体系中甘油浓度由20 g/L提高到100g/L后,细胞生长受到抑制,进入滞后期。此时毒性中间代谢物3-羟基丙醛(3-HPA)升高至0.63g/L后又降至0.18g/L,其他代谢物1,3-丙二醇、乙酸等也降至最低点,经过20 h过渡期,各代谢物CO2、1,3-丙二醇、乙酸、3-HPA、甲酸、琥珀酸等进入振荡期,振荡周期为6.5-7.5 h,振荡期能持续140 h以上,其中3-HPA振荡周期较短,为3-4 h一个周期,振荡期的浓度变化为0.13-0.78g/L。其中振荡期与平稳期代谢通量分析表明,振荡时甘油更多地流向1,3-丙二醇和乙酸通路,振荡时可以获得更高的底物转化率和产物比生成速率,且平稳期时无毒性3-HPA的积累。代谢物水平上高底物甘油诱发振荡行为分析结果表明,3-HPA的积累可能是诱发振荡的关键因素。其次,从转录水平研究高浓度甘油诱发K. peneumoniae连续发酵振荡行为,分析稳定和振荡条件下K.peneumoniae基因表达差异。分别选取振荡周期中1,3-PD浓度最高点(V1)和最低点(V2)以及平稳期(V3,100g/L甘油连续发酵)进行转录组测序。使用Bioconductor的软件包DEseq对振荡期和平稳期的差异表达基因进行比较,主要为下调基因,V1相对于V3的下调基因为2561,V2相对于V3的下调基因为2224。其中V1相对于V3的转录组测序分析表明,编码1,3-丙二醇氧化还原酶(PDOR)基因dhaT以及编码二羟基丙酮的激酶(DHAK)的基因dhaK均显著下调,从而导致3-HPA积累,诱发振荡行为产生。最后,通过近红外光谱技术(NIR)在线采集生物量数据,预测了K.peneumoniae细胞生长,利用甘油发酵动力学结合近红外光谱技术的在线分析,实现1,3-丙二醇浓度的在线监测,为发酵行业的在线自动智能化控制提供依据。