为实现2050年“净零碳排放”的愿景，利用生物精炼厂从可再生非粮食生物质进行化学品和材料的可持续生产已变得日益重要。系统代谢工程使微生物菌株高效开发，从而生产出越来越多的化学品和材料，其中一些已转化为工业规模的生产。发酵是决定生物工艺整体经济性的关键过程之一，影响发酵工艺关键因素有七个。

因素1：性能指标

对于竞争性细菌发酵，首先应根据目标产物确定关键性能指标，即滴度、产量和生产率。每个指标都会影响细菌发酵的不同方面。优化三个生产指标是一个多目标优化问题，因为优化一个目标可能会影响另一个目标。虽然提高滴定度、产量和生产率很重要，但在开发菌株时很难同时使所有指标最大化。因此，需要事先确定滴定度、产量和生产率的最佳权衡点。针对这一多目标问题已经开发出了计算方法，例如‘动态菌株扫描优化’（DySScO）和‘通过可切换操作点的完整分析提高微生物化学生产’（mcPECASO）。这些系统方法利用基因组尺度代谢模型模拟细胞的各种表型状态，以优化目标产品的滴定度、产量和生产率。

宿主的生产性能可通过系统代谢工程进行针对性地改造。例如，如果知道产物毒性的原因，可以考虑使用抗抑制酶，通常是异源酶，或对内源酶实施蛋白质工程。如果产物毒性原因不明，可通过适应性进化提高对有毒产物的耐受性，或采用原位吸附发酵技术，从发酵液中回收目标产物。

因素2：碳源

发酵中使用的碳底物应在生物工艺的前期确定，因为它们影响着微生物的生产性能和工艺成本，在大规模发酵中尤为重要。由于成本高，使用纯化碳源（葡萄糖）很难操作，因此应从含量最丰富、成本最低的候选碳源中挑选，包括粗碳源，如碳水化合物、木质纤维素等。

目前，正期望能利用丰富且不可食用的生物质原料，以较低的成本获得碳基质，并且不影响全球粮食供应。同时，由于经济和生物方面的原因，细菌发酵可以考虑多种底物共饲。使用两种底物可减轻特定时间点碳底物价格波动带来的额外经济负担。

因素3：发酵培养基

在选择碳源后，应仔细设计发酵培养基，因为它不仅与发酵性能直接相关，还与培养基本身和下游工艺（即分离和纯化）的成本相关。在大规模发酵中应避免使用昂贵的添加剂，如用于维持质粒稳定性的抗生素和用于基因表达的诱导剂。为避免使用抗生素，可将所有生物合成基因整合到细菌基因组中。

此外，工业级培养基中的杂质，如抑制剂和不发酵成分，会对发酵性能产生负面影响，使用能够耐受培养基杂质的天然菌株可解决这一问题。例如，嗜卤菌如Nesterenkonia sp., Halomonas sp.可用海水作基础发酵培养基，使用海水可以缓解未来潜在的淡水短缺问题，还可以降低污染的可能性，从而降低灭菌成本。然而高浓度盐分的培养基可能会加速生物反应器的腐蚀，因此，生物反应器的制作需要使用耐腐蚀材料。

关于发酵模式、补料、发酵放大、下游工艺等因素对发酵过程的影响，我们下篇继续介绍，敬请期待。

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