目前,我国红霉素发酵生产过程中存在红霉素发酵单位不高、有效组分红霉素A含量较低以及发酵液粘度高的问题,严重影响我国红霉素原料药在国际市场的竞争力,是红霉素生产亟待解决的问题。本课题以红霉素A组分优势的红霉素基因工程菌为对象,采用多尺度参数相关分析方法系统研究了红霉素发酵过程调控规律,在此基础上形成了基于碳氮磷动态调控的红霉素基因工程菌发酵优化策略,成功实现了同时降低发酵液粘度和有效提高红霉素A的目标。首先,采用新型速效有机氮源替代玉米浆,解决了红霉素工业生产中因玉米浆质量不稳定引起的产量波动的问题。优化后的发酵培养基在25吨罐规模下,红霉素产量比对照组提高了21.7%。发酵过程数据分析表明,新型速效有机氮源提高了胞外淀粉酶和蛋白酶的活力,增强了发酵过程的OUR水平。胞外氨基酸和有机酸数据表明采用新型速效有机氮源的胞外前体氨基酸(谷氨酸、丙氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸和亮氨酸)浓度较高,而胞外有机酸(丙酮酸、丙酸、琥珀酸、柠檬酸和乙酸)浓度较低。菌丝形态和发酵液流变特性数据表明新型速效有机氮源刺激了菌丝的伸长进而引起发酵液稠度指数K的增加。其次,基于糖醇利用规律,建立了动态调控的红霉素基因工程菌发酵过程底物补加新工艺,并采用宏观代谢流定量计算方法分析了工业复合培养基下不同葡萄糖和正丙醇补加速率比例下的代谢流量分布。基于多参数相关性分析结果建立了依据RQ补糖和依据溶氧和残醇进行补醇的补加工艺,使红霉素产量提高了8.3%。进一步建立了基于总碳相等的动态调控葡萄糖和正丙醇补加速率的策略,红霉素产量达到了12491U/ml。宏观代谢流计算结果表明优化葡萄糖和正丙醇的比率可以提高红霉素合成前体丙酰-CoA(2.147 mmol/(g·day))和甲基丙二酰-CoA (1.708 mmol/(g·day))的代谢流量,进而增加流向红霉素的代谢流量。同时发现有45%-77%的正丙醇流向TCA循环,为同位素标记实验研究正丙醇代谢机制和代谢工程菌种改造提供了新的研究切入点。能量代谢分析表明,降低葡萄糖补加速率引起的较低ATP水平并没有限制红霉素的合成,而较高的NADPH则有利于红霉素的合成。再次,采用氮磷调控策略大幅度降低了发酵液粘度和葡萄糖消耗速率。通过控制硫酸铵的浓度使发酵液粘度和葡萄糖消耗速率分别降低了18.2%和61.6%,而红霉素的产量没有受到影响。通过理性调节磷酸盐、黄豆饼粉和硫酸铵的浓度使红霉素A产量提高了8.7%,实现了同时维持较低发酵液粘度和较低葡萄糖消耗速率的优势。初步阐明了高浓度铵离子通过抑制胞外蛋白酶活性来降低黄豆饼粉有机磷的释放,进而使铵离子缓慢利用的现象。表明菌体可以优先利用无机铵盐和无机磷而非有机氮源快速生长。较高硫酸铵浓度下,菌球的形成是发酵液粘度降低的重要原因。胞外丙酸和琥珀酸的积累表明在新工艺下较高的正丙醇消耗速率可能增加了甲基丙二酰-CoA和丙酰-CoA的浓度,进而增加了流向红霉素的代谢流量。硝酸铵虽然同样可以降低发酵液粘度和葡萄糖消耗速率,但是其诱导色素生成引起红霉素产量降低。最后,发现有机氮源中磷含量对红霉素发酵具有重要的影响。通过采用磷含量低的有机氮源可以降低发酵后期的溶磷水平。在对数生长期补加无机磷后,发酵过程OUR明显从较低水平回升到较高水平,红霉素产量大幅提升。因此,提出了采用磷含量低的氮源降低后期有机氮源中的磷释放速率,并结合补加无机磷提高发酵初期菌体生长速率的调控策略。在新策略下红霉素产量提高了20.9%。此外,在前期宏观代谢流计算发现正丙醇除作为红霉素合成前体外仍有部分流向TCA循环的基础上,采用[1-13C]丙酸钠为标记底物初步揭示了正丙醇经琥珀酸流向丙酮酸的代谢机制,打破了固有正丙醇只作为红霉素前体的设想。实现了正丙醇代谢去向探究在宏观代谢流分析研究基础上的微观代谢验证。在筛选用于同位素标记实验的合成培养基的过程中发现脯氨酸是红色糖多孢菌快速生长的关键氨基酸,并采用全标记葡萄糖和自然标记脯氨酸为标记底物阐明了脯氨酸经谷氨酸进入中心代谢并最终生成丙酮酸的途径。同位素标记实验平台的建立为进一步深入研究红霉素微观代谢和调控机理奠定了基础。