花生四烯酸(ARA)具有许多重要的生理功能，传统来源的ARA油脂非常有限，并且含量低，无法满足日益增长的市场需求。而微生物发酵法生产ARA油脂因具有生产周期短，不受原料限制等明显的优势而受到广泛关注。丝状真菌高山被孢霉（Mort&rella alpina）胞内油脂积累量可达到细胞干重的40％以上，ARA在总油脂中含量是目前所报道过的生产菌株中最高的，并且发酵法生产ARA油脂在欧美等发达国家早已实现大规模工业化生产，而我国则还处于起步阶段。本研究立足于国内外ARA油脂发酵生产技术研究现状，通过菌株诱变选育、培养条件优化、发酵工艺优化、反应器空气分布系统改进并对ARA油脂发酵展开研究，建立了一种基于溶氧的放大方法最终实现ARA油脂的大吨位发酵生产。研究内容主要包括以下几方面:　　根据代谢控制育种原理，建立了一种ARA油脂高产菌株的诱变选育方法。选择M.alpina ME-1作为出发菌株，采用紫外氯化锂复合和硫酸二乙酯诱变，运用抗氧化剂——没食子酸辛酯作为筛选剂，从筛选平板上筛选出抗30 mg/L脂肪酸脱氢酶抑制剂的菌株。进一步利用摇瓶发酵复筛筛选出ARA高产菌株。经过两轮筛选，两种诱变方法均得到ARA含量和产量显著提高且遗传稳定的突变株。紫外氯化锂复合诱变代表株R807，发酵168 h，ARA含量及产量分别达到41.72％和6.81 g/L，比出发菌株分别提高35.1％和39.8％。硫酸二乙酯诱变代表株D207，ARA含量及浓度分别达到41.91％和5.4 g/L。对比突变株的发酵性能R807明显优于D207，R807将用作本论文的研究菌株并应用于后续实验中。　　根据ARA油脂发酵过程中菌体快速增殖、油脂快速积累、ARA高效合成所需要的营养物质的差别，建立了一种三阶段培养策略:第一阶段在营养丰富培养基中进行M.alpina菌体快速增殖培养，研究发现初始葡萄糖浓度为60 g/L时，最有利于菌体的快速增殖;第二阶段在碳源充足而其它营养物质缺乏的条件下进行油脂积累培养，并对最佳初始葡萄糖浓度、种龄、pH和培养时间进行了优化;第三阶段在生理盐水和缺乏葡萄糖的培养基中进行ARA的高效合成培养，发现此阶段在生理盐水中培养36 h时效果最佳。最后，在该三阶段培养工艺条件下，细胞干重，油脂浓度，ARA浓度分别达到41.6，26.6和11.4 g/L，与传统分批发酵工艺相比，ARA得率和产量均显著提高。通过三阶段培养策略发现，营养丰富有利于菌体的快速增殖，营养限制有利于油脂的快速积累，碳饥饿条件下会刺激ARA的合成。　　根据ARA油脂工业化生产的实际操作性，研究不同残糖反馈流加工艺对M.alpina产ARA油脂的影响。包括分批发酵工艺（初始糖浓度80 g/L），残糖反馈补料分批发酵工艺（初始糖浓度40 g/L残糖控制在20-40 g/L;初始糖浓度20g/L残糖分别控制在10-20 g/L和5-10 g/L）进一步在残糖反馈补料发酵工艺的基础上建立了一种反复补料分批发酵（初始糖浓度20g/L残糖控制在5-10 g/L）。对比不同的残糖反馈流加工艺，发现初始糖浓度在20 g/L，发酵过程中残糖控制在5-10 g/L是M.alpina发酵产ARA油脂的最佳补料培养方式。与分批发酵相比，细胞干重，油脂浓度，ARA含量及ARA浓度变化不明显，但发酵周期缩短了2天，ARA生产强度提高近了45％。进一步在补料分批发酵工艺的基础上，建立了一种反复补料分批发酵工艺，培养1次种子可以反复进行4次发酵，最终ARA含量都达到国标规定的38％水平。　　研究不同气体分布器对M.alpina产ARA油脂的影响，研究发现当减小环管气体分布器出气口孔径时，出气口气泡直径减小，发酵结束时相应的细胞干重、油脂浓度及ARA含量明显提高。进一步研究微孔膜气体分布器对M.alpina产ARA油脂的影响，发现当使用膜气体分布器时，溶氧在低搅拌转速下就可以较容易的控制在20％-60％之间。当溶氧控制在20％时细胞干重，油脂浓度，ARA含量及ARA浓度分别达28.13 g/L，15.10 g/L，42.45％及6.41 g/L，当溶氧控制在40％时，细胞干重，油脂浓度，ARA含量及ARA浓度分别达29.67 g/L，16.74g/L，49.53％及8.29 g/L，与环管气体分布器相比ARA含量提高了近1倍，ARA浓度提高3倍。对不同气体分布器气含率进行模拟，发现随着出气口气泡直径的减小，气体分布更均匀，微孔膜气体分布器气含率分布明显优于环管气体分布器。　　进一步研究7 m3发酵罐环管通气和膜管通气方式对M.alpina产ARA油脂的影响，考虑到溶氧对ARA油脂发酵过程的重要作用，建立了一种基于溶氧的过程放大方法。在发酵过程中，通过调节通气量和转速将溶氧控制在ARA油脂发酵临界溶氧浓度(20％)以上。研究发现采用环管通气方式时，通过调节通气量和转速，溶氧难以控制在20％以上，尤其是发酵后期溶氧维持在10％以下。最终细胞干重，油脂浓度，ARA含量及ARA浓度分别是27.72 g/L，13.05 g/L，21.37％及2.79 g/L，达不到工业化生产和GB26401-2011规定的要求。进一步研究膜管通气方式对发酵过程的影响，该条件下通过调节通气量和转速，溶氧可以控制在20-40％之间，发酵结束时细胞干重，油脂浓度，ARA含量及ARA浓度分别达到30.14 g/L，14.25 g/L，41.89％及5.97 g/L，和环管通气方式相比分别提高了8.7％，9.2％，96％及113％，采用基于溶氧的放大方法，将ARA油脂发酵工艺成功的从实验室7.5 L规模放大到7 m3规模。说明以溶氧为基础的放大准则是一种较适合M.alpina发酵产ARA油脂的方法。