西索米星（Sisomicin，SISO）是壹種重要的含有雙鍵的水溶性、多元弱堿性氨基糖苷類抗生素，屬慶大黴素-西索米星型的假三糖慶大黴胺類抗生素，為抗生素JI-20A的脫羥基化衍生物西索米星還是合成藥物奈替米星(Netilmicin，NET）和新型化合物氫化西索米星（即5′-差向慶大黴素C1a）的生產原料，中國生產的西索米星約占世界產量的80%目前，在西索米星發酵工藝優化和過程控制方面的研究明顯滯後。實現發酵過程優化和控制是發酵工程的重要目標和研究熱點，建立數學模型則是實現發酵過程優化控制的前提和關鍵。
國內外對核苷酸、氨基酸和青黴素等微生物代謝產物的發酵過程動力學研究有很多的報道，但對於西索米星發酵的動力學特性研究及其發酵過程的優化控制未見相關報道。
本研究在對西索米星分批發酵的動力學特性研究基礎上，進壹步定量地探索西索米星分批發酵過程中菌體生長、底物消耗、產物合成的相互影響和動態平衡規律，建立發酵動力學模型，用以指導西索米星分批發酵過程的模擬、預測和過程優化控制。
材料與方法 斜面培養：可溶性澱粉，硝酸鉀，氯化鈉，麩皮，碳酸鈣，瓊脂，硫酸鎂，天門冬氨酸，磷酸氫二鉀，消前pH 7.0，接種後於37℃培養8~10 d，新鮮斜面冷藏（-4℃）3~7 d後備用。
種子培養：玉米澱粉，黃豆餅粉，蛋白腖，酵母粉，硫酸鎂，碳酸鈣，消前pH 7.0，接種後35℃，24r/min培養48 h後移種。
搖瓶發酵培養：玉米澱粉，黃豆餅粉，麥芽糖，玉米漿，硫酸鎂，氯化銨，磷酸氫二鉀，碳酸鈣，蛋氨酸和氯化鈷；控制消後pH 7.0~7.2，接種量10%，34℃，240 r/min搖瓶發酵36 h後變溫為32℃搖瓶發酵至96 h結束，裝量50mL/500mL三角瓶。5 L貝朗罐發酵培養及30m3工業罐發酵生產：培養基同搖瓶配方，接種量10.0%~12.5%，控制消後pH 7.0~7.2，溶氧濃度DO≥8.5%（以純氧計，通過改變通氣量和攪拌轉速進行分階段控制），34℃發酵36 h後變溫為32℃發酵，當菌體生長到壹定的狀態時開始流加補料，發酵周期約92~96 h。 西索米星（P）測定采用HPLC法、菌體（X）濃度測定采用洗滌細胞幹重法、總糖（St）濃度和還原糖（S）濃度測定采用斐林-碘量法、葡萄糖(G）測定采用糖氧化酶法血糖試劑盒、麥芽糖(M）測定和澱粉水解酶表觀活性（E）測定采用高效液相色譜法。
白細胞 在文獻西索米星分批發酵的動力學特性研究中已經發現，西索米星分批發酵過程存在明顯的產物抑制效應；以澱粉為主要碳源進行西索米星分批發酵時，菌體攝取和利用的糖類底物主要是麥芽糖，發酵後期發酵液中澱粉水解酶酶活不足和可發酵糖濃度迅速下降，將影響西索米星的產物合成；菌體生長的最適葡萄糖和麥芽糖濃度分別為7.5~15.0和10.0~25.0 g/L，西索米星產物合成的較適宜麥芽糖濃度為10.0~15.0 g/L。初始澱粉濃度為65.0 g/L時，典型的西索米星工業分批發酵過程的微生物代謝特性規律西索米星分批發酵是典型的次級代謝產物合成過程，產物的合成與菌體的生長無明顯相關，接種後7~25 h是菌體對數生長期，25~37 h為過渡期，在過渡期菌體繼續生長，並開始合成產物，37~85 h為產物合成期，85 h後菌體活性衰退。本研究對不同發酵時期分階段建立符合該時期微生物代謝特性的發酵動力學模型，對7~25 h建立菌體生長期動力學模型，對37~85 h建立產物合成期動力學模型。
菌體生長期動力學模型的建立
發酵過程中，西索米星產生菌的生長速率與發酵體系的溫度、pH值、底物濃度、產物濃度和菌體濃度有關。在對數生長期，產物濃度未對菌體生長構成抑制作用，在建立本模型的實驗底物濃度範圍內（ρSf≤15.2 g/L），也未觀察到可發酵糖底物對菌體生長的抑制效應。因此，在菌體生長期，當控制發酵溫度34℃、pH值7.1時，菌體生長速率的數學模型可采用Monod方程表示：f在菌體對數生長期，西索米星產物尚未形成，此時底物的消耗主要用於菌體的生長和維持上。據物料平衡建立總糖消耗模型：-dρStdt=dρXYXdt+mρX。
發酵過程可發酵糖的變化量等於由澱粉水解酶降解作用所產生的可發酵糖減去菌體生長和維持所消耗的可發酵糖，所消耗的可發酵糖量等於所消耗的總糖量。發酵過程可發酵糖的物料衡算可表示為：dρSfdt=ESf-dρXYXdt+mρX⑶
本實驗條件下，菌體生長期發酵液中可發酵糖的生成速率可表示為：ESf=-0.007 6t2+0.257 4t-1.314 7⑷因此，式⑴~式組成了菌體生長階段的動力學模型。
模型的參數估算和適用性評價
在西索米星分批發酵過程，菌體生長期動力學模型中所有4個待定參數（μm、KS、YX和m）使用MathCAD進行最小二乘估計，目標函數J為3個狀態變量（ρSt、ρSf和ρX）在發酵7~25 h內7個采樣時刻的實驗數據Yij和模型計算數據Zij的相對偏差平方。
采用MathCAD提供的最優化問題求解方法編程求解微分方程組，並進行待定參數的優化搜索，求得目標函數達最小值時的待定參數值。根據實驗數據和上述模型最終求得菌體生長期目標函數值J為0.011，菌體生長期動力學模型參數的估計結果示於表1，分批發酵過程動力學模型預測值與實驗數據擬合圖所示。
為了考察不同總糖濃度下模型反映西索米星分批發酵狀況的適用性，利用建立的動力學模型，對初始總糖濃度分別為70.0、60.0和50.0 g/L的分批發酵過程菌體生長期進行計算機仿真驗證，結果顯示，模型狀態變量實驗值與模擬值的相對偏差平方和均分別為2.3%、1.9%和5.8%。研究表明，該動力學模型能較好地描述和預測了初始總糖濃度為50.0~70.0 g/L的西索米星分批發酵過程菌體生長期的狀況。
西索米星發酵是產物合成和菌體生長非耦聯型，產物合成期維持高濃度的菌體對西索米星產物的合成有利。從所建立的動力學模型中可以發現，在發酵中菌體的生長需要消耗大量的糖類底物，以分批發酵過程中所能出現的最大菌體濃度11.2~11.8 g/L計，模型中YX為0.43 g/g，取具有統計意義的初始菌體濃度進行計算，則在達到最大菌體濃度前，理論上大約需要消耗15.9~17.3 g/L可發酵糖。但由於真實發酵過程存在著菌體的維持消耗等因素，實際所消耗的可發酵糖要大於此值。 1）當采用澱粉為主要碳源的天然培養基進行西索米星的分批發酵時，分別建立了菌體生長階段和產物合成階段的動力學模型。在菌體生長期，菌體生長速率的數學模型可采用Monod方程表示，在產物合成期，菌體生長速率符合Contois方程。西索米星的合成符合Luedeking-Piret方程，可采用Levenspiel方程對其進行修正。
2）分別對菌體生長階段和產物合成階段的動力學模型進行了模型參數的估計。菌體生長期動力學模型參數μm、KS、KX、m分別為：0.058 h-1、4.046 g/L、0.433 g/g、0.000 1 g/(g·h），擬合偏差平方和J為0·011；產物合成期動力學模型參數μm、KX、K2、N、YX、YP、m分別為：0.058 h-1、60.556 g/g、1.198 g/(g·h）、0.606、0.090 g/g、0.095 g/g、0.001 73 g/(g·h），擬合偏差平方和J為0.027。
3）所建立的動力學模型能較好地描述和預測初始總糖濃度為50.0~70.0 g/L的西索米星分批發酵過程，模型狀態變量實驗值與模擬值的相對偏差平方和均小於6%。該研究為西索米星分批發酵的過程優化及其控制提供了依據。4）采用高濃度的麥芽糖為補料液進行流加發酵的方式，能有效地減緩發酵中後期因澱粉水解酶表觀活性不足所導致的可發酵糖濃度的下降，有助於大幅度提高西索米星的發酵水平。