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头孢菌素类药物是目前抗感染药物中应用最为广泛的药物之一,具有良好的市场份额和经济收益,所以头孢菌素类药物及其前体头孢菌素C工业生产也就成为了激烈竞争的领域。本论文借助宏观代谢分析以及跨尺度参数关联分析的手段对头孢菌素C发酵过程优化补料工艺和对照补料工艺进行了系统的代谢分析研究。研究表明优化补料策略促使补料时期菌浓比对照提高了11.4%,同时在55-87h期间CPC合成速率高出对照20%。研究还发现在CPC快速合成期优化补料策略还克服了对照工艺中溶氧水平经常跌至30%溶氧控制点以下的问题。发酵过程氨基酸变化规律表明优化补料策略促进了半胱氨酸合成的前体氨基酸甲硫氨酸和丝氨酸的吸收；胞内有机酸变化规律表明了优化补料策略促使了α-酮戊二酸和丙酮酸更高胞内水平的形成,从而促进了谷氨酸和前体氨基酸缬氨酸、α-氨基己二酸的形成。因而,优化补料过程中CPC合成的前体供应相对充足。两种分批补料培养过程CPC快速合成期的代谢流定量分析研究证实了优化补料策略的前体供应能力得到强化的观点,缬氨酸和α-氨基己二酸的合成途径代谢流通量分别高出对照6.9%和6.7%,相应地CPC合成途径通量高出对照15.1%。胞内NADPH和ATP生成和消耗情况表明在CPC快速合成时期优化补料过程具有较高的NADPH和ATP利用率；因而63-95h期间尽管NADPH水平和ATP生成各自低于对照42.5%和16.3%,仍然具有较高的CPC合成速率。同时,NADPH和ATP消耗情况也为我们提供了进一步优化的线索。原有搅拌桨组合驱动的12t发酵混合体系的计算流体力学模拟表明流体明显存在混合不均、桨层区域之间分层严重的问题；而对新设计的搅拌桨混合体系流场的模拟则表明流场分布效果得到显著改善,其中残油测定结果可以明显证实这个模拟结果。发酵过程代谢分析和CFD模拟结果说明了轴向流混合在没有影响菌体生长情况下具有相对温和的机械剪切、轴向混合均匀、气泡分散均匀的特点。更为重要的轴向流混合下电能消耗低于对照29.5%。