為實現(xiàn)2050年“凈零碳排放”的愿景，利用生物精煉廠從可再生非糧食生物質(zhì)進行化學(xué)品和材料的可持續(xù)生產(chǎn)已變得日益重要。系統(tǒng)代謝工程使微生物菌株高效開發(fā)，從而生產(chǎn)出越來越多的化學(xué)品和材料，其中一些已轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。發(fā)酵是決定生物工藝整體經(jīng)濟性的關(guān)鍵過程之一，影響發(fā)酵工藝關(guān)鍵因素有七個。

因素1：性能指標(biāo)

對于競爭性細菌發(fā)酵，首先應(yīng)根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物確定關(guān)鍵性能指標(biāo)，即滴度、產(chǎn)量和生產(chǎn)率。每個指標(biāo)都會影響細菌發(fā)酵的不同方面。優(yōu)化三個生產(chǎn)指標(biāo)是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，因為優(yōu)化一個目標(biāo)可能會影響另一個目標(biāo)。雖然提高滴定度、產(chǎn)量和生產(chǎn)率很重要，但在開發(fā)菌株時很難同時使所有指標(biāo)最大化。因此，需要事先確定滴定度、產(chǎn)量和生產(chǎn)率的最佳權(quán)衡點。針對這一多目標(biāo)問題已經(jīng)開發(fā)出了計算方法，例如‘動態(tài)菌株掃描優(yōu)化’（DySScO）和‘通過可切換操作點的完整分析提高微生物化學(xué)生產(chǎn)’（mcPECASO）。這些系統(tǒng)方法利用基因組尺度代謝模型模擬細胞的各種表型狀態(tài)，以優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)品的滴定度、產(chǎn)量和生產(chǎn)率。

宿主的生產(chǎn)性能可通過系統(tǒng)代謝工程進行針對性地改造。例如，如果知道產(chǎn)物毒性的原因，可以考慮使用抗抑制酶，通常是異源酶，或?qū)?nèi)源酶實施蛋白質(zhì)工程。如果產(chǎn)物毒性原因不明，可通過適應(yīng)性進化提高對有毒產(chǎn)物的耐受性，或采用原位吸附發(fā)酵技術(shù)，從發(fā)酵液中回收目標(biāo)產(chǎn)物。

因素2：碳源

發(fā)酵中使用的碳底物應(yīng)在生物工藝的前期確定，因為它們影響著微生物的生產(chǎn)性能和工藝成本，在大規(guī)模發(fā)酵中尤為重要。由于成本高，使用純化碳源（葡萄糖）很難操作，因此應(yīng)從含量最豐富、成本最低的候選碳源中挑選，包括粗碳源，如碳水化合物、木質(zhì)纖維素等。

目前，正期望能利用豐富且不可食用的生物質(zhì)原料，以較低的成本獲得碳基質(zhì)，并且不影響全球糧食供應(yīng)。同時，由于經(jīng)濟和生物方面的原因，細菌發(fā)酵可以考慮多種底物共飼。使用兩種底物可減輕特定時間點碳底物價格波動帶來的額外經(jīng)濟負擔(dān)。

因素3：發(fā)酵培養(yǎng)基

在選擇碳源后，應(yīng)仔細設(shè)計發(fā)酵培養(yǎng)基，因為它不僅與發(fā)酵性能直接相關(guān)，還與培養(yǎng)基本身和下游工藝（即分離和純化）的成本相關(guān)。在大規(guī)模發(fā)酵中應(yīng)避免使用昂貴的添加劑，如用于維持質(zhì)粒穩(wěn)定性的抗生素和用于基因表達的誘導(dǎo)劑。為避免使用抗生素，可將所有生物合成基因整合到細菌基因組中。

此外，工業(yè)級培養(yǎng)基中的雜質(zhì)，如抑制劑和不發(fā)酵成分，會對發(fā)酵性能產(chǎn)生負面影響，使用能夠耐受培養(yǎng)基雜質(zhì)的天然菌株可解決這一問題。例如，嗜鹵菌如Nesterenkonia sp., Halomonas sp.可用海水作基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基，使用海水可以緩解未來潛在的淡水短缺問題，還可以降低污染的可能性，從而降低滅菌成本。然而高濃度鹽分的培養(yǎng)基可能會加速生物反應(yīng)器的腐蝕，因此，生物反應(yīng)器的制作需要使用耐腐蝕材料。

關(guān)于發(fā)酵模式、補料、發(fā)酵放大、下游工藝等因素對發(fā)酵過程的影響，我們下篇繼續(xù)介紹，敬請期待。

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