我国发酵产业的产品总量位居世界第一,是名副其实的发酵工业大国,其中利润率较低的大宗发酵产品占据着一半以上的市场份额。如何提高和改善典型大宗发酵产品合成过程的生产效率和经济性是发酵工业亟需解决的核心问题。除了分子改造和菌种选育外,发酵工程和代谢工程技术也是提高发酵生产和经济性能的重要手段。大宗发酵产品的合成过程存在着诸多共性问题:目标产品的得率和发酵原料的利用率较低;发酵原料成本占生产总成本的60%-70%左右,直接使用廉价发酵原料往往难以达到所期望的发酵性能;发酵过程的过程控制/优化基本依靠传统的动力学模型或操作者的经验/知识,直接对发酵过程实施有效的、特别是在线控制和优化较为困难。针对以上问题,本博士论文以大宗发酵产品,即典型的好氧发酵产品(头孢菌素C/糖化酶)和典型的厌氧发酵产品(丁醇/丙酮)的生物合成过程为研究对象,探讨并建立与此相对应的底物流加/供氧和发酵还原力调控模式下合成典型发酵产物的关键技术,结合使用廉价发酵原料、旨在提高大宗发酵过程的生产性和经济性。论文的主要研究结果总结如下:(1)利用顶头孢霉菌好氧发酵合成头孢菌素C(CPC)时需要还原力NADPH,添补豆油是提升NADPH再生能力、增强CPC效价的常用手段。但是,单纯添补豆油时,大量价格昂贵的豆油将回补到磷酸戊糖途径中再生NADPH,从而大量产生CO2、降低了CPC发酵的原料转化率。另外,基于DO-Stat法的传统豆油流加策略会产生溶解氧浓度(DO)控制的“平台效应”,造成豆油无法自动加入、传氧系数和DO水平低,导致CPC效价的降低和杂质的副生。本论文对利用豆油和葡萄糖混合碳源的补料策略改善CPC发酵性能的代谢机理进行了理论分析。结果表明,使用该补料策略时,葡萄糖可以替代豆油直接进入磷酸戊糖途径再生NADPH,间接提高了CPC得率。同时,该策略可以将DO和葡萄糖浓度分别控制在较高和较低的水平、降低副产物DAOC的积累,增强了发酵体系的传氧系数和豆油流加速率。CPC对豆油的得率和产量分别从12.9%和25.32g·L-1增加到23.5%和37.0 g·L-1,CPC产量大幅提高、原料成本大幅降低。(2)针对利用黑曲霉生产糖化酶的好氧发酵过程,研究了以麦芽糖浆和?-乳糖为碳源进行补料时,不同底物流加策略对糖化酶发酵生产的影响。提出了基于代谢活性调控的三阶段变速底物流加控制策略,该策略可以将补料阶段的呼吸熵(RQ)全程控制在0.60左右,且摄氧速率(OUR)较高。与DO-Stat底物流加策略相比,该策略可将糖化酶酶活提高64%,达到118,900 U·mL-1。研究了利用不同廉价碳源替代麦芽糖浆和?-乳糖进行糖化酶生产的可行性。结果表明,在采用上述三阶段变速流加策略的基础上,使用玉米淀粉酶解液作为碳源进行补料,最终糖化酶酶活达到156,400 U·mL-1,发酵性能大幅提高。另外,对利用玉米淀粉酶解液作为碳源进行补料、生产糖化酶的发酵过程进行经济性能评估。结果表明,该工艺可以降低原料成本约61%,经济效益明显改善。(3)利用丙酮丁醇梭菌厌氧发酵生产大宗平台化合物或生物燃料丁醇和丙酮的过程中(ABE发酵),发酵结束时的主产物丁醇浓度和丁醇/丙酮质量比低。研究发现,丙丁梭菌和酿酒酵母混合培养同时外添少量丁酸可以提高丁醇浓度和丁醇/丙酮比。本论文建立了上述混菌培养体系下的底物消耗、产物合成以及能量(NADH)再生的速率模型,结合实验数据对上述混菌培养体系进行了理论分析,阐明了该体系可以提高丁醇浓度和丁醇/丙酮比的机制机理。研究结果表明,混菌培养同时外添丁酸的ABE发酵体系,可以提高梭菌胞内用于丁醇合成的NADH再生速率;强化梭菌对葡萄糖的利用能力;在梭菌胞内营造出有利于细胞生存和丁醇合成的高氨基酸浓度环境、间接增强了梭菌对高丁醇浓度环境的耐受能力。在7 L厌氧发酵罐中实施该发酵控制策略,丁醇浓度和丁醇/丙酮比分别比对照提高35.3%和42.9%,达到15.74 g·L-1和2.83的高水平。利用丁酸厌氧发酵上清浓缩液替代合成丁酸进行ABE发酵时,丁醇浓度和丁醇/丙酮比也分别可以达到16.34 g·L-1和3.02。此时,虽然扣除原料成本后的总溶剂毛利润的增幅有限(约6%),但是,由于总溶剂、特别丁醇浓度大幅提高,产品蒸馏精制成本可以显著降低,使用丁酸发酵液的混菌培养ABE发酵体系具有一定的工业应用前景。(4)ABE发酵的产物主要是丁醇和丙酮的混合物。ABE发酵的经济性和实用性依赖于将丙酮作为重要平台化合物和高效燃料进行评价。研究发现,丙丁梭菌和酿酒酵母混合培养同时外添少量乙酸可以同时提高丁醇和丙酮浓度。为此,本论文构建了适用于该混菌培养体系的数学模型,并在模型基础上对该体系下丁醇和丙酮浓度同时提高的代谢机制进行了理论分析。结果表明,混菌培养同时外添乙酸的ABE发酵体系,强化了梭菌对葡萄糖的利用能力;可以将梭菌胞内的NADH再生速率控制在较为适中的低水平,缓解了细胞的能量周转负荷,在不影响丁醇合成的同时、使较多碳流走向丙酮合成途径;也可以增强有益氨基酸在梭菌胞内的积累、提高梭菌对高丁醇浓度环境的耐受力。在7 L厌氧发酵罐中实施该发酵策略,最终丙酮和丁醇浓度可以同时达到8.27 g·L-1和13.91 g·L-1的较高水平,比对照提高41%和20%,丙酮/丁醇比也从0.50上升到0.60。(5)在混菌培养同时外添少量乙酸的ABE发酵体系基础上,提出了葡萄糖受限条件下、葡萄糖/乙酸双底物耦联混菌培养的新型ABE发酵策略。通过降低发酵培养基的初糖浓度,并在产溶剂期适时、连续添加合成乙酸和酿酒酵母,可将葡萄糖浓度维持在低水平,进而限制梭菌胞内的NADH再生和丁醇合成速率,延迟丁醇抑制的出现时间、使丙丁梭菌合成丙酮的能力得到充分发挥。该控制策略可以将丙酮浓度和丙酮/丁醇比按需要自由控制在6-12 g·L-1和0.5-1.0之间,最大丙酮浓度和丙酮/丁醇比可达到11.74 g·L-1和1.02的较高水平,且丁醇浓度基本不受影响。为实现利用生物质替代化石原料生产丙酮、降低生产成本、以及ABE发酵产品多样化和供需灵活化等目标提供了重要参考。