柠檬酸是目前世界上需求量最大的有机酸，广泛应用于食品、制药、化工等行业。中国是柠檬酸第一大生产国和出口国，工业上主要通过黑曲霉发酵生产柠檬酸。黑曲霉是重要的工业微生物，具有成为高效细胞工厂的潜质，因此对黑曲霉及其发酵生产柠檬酸过程的研究具有重要的意义。本文首先整合文献及组学信息，对黑曲霉柠檬酸发酵过程代谢网络进行研究，建立了黑曲霉简化中心代谢网络。根据简化代谢网络中化学计量关系建立了胞内代谢物质和能量载体平衡模型，引入扩展的一阶闭环调节器模型描述发酵初期酶系建立过程，结合生物反应器模型构建了发酵过程的结构模型，采用差分进化算法对模型参数进行辨识，通过模型解算，给出了发酵过程中代谢途径通量和重要宏观状态变量的动态仿真结果和模型验证结果，此模型可以较好的描述发酵过程中底物消耗和产物生成，胞内代谢通量的变化情况显示了发酵过程中柠檬酸的积累机制。本文同时还建立了发酵过程的非结构模型作为模型研究的基础。同时对发酵过程中底物水解与转运过程进行探究，并给出了相应的数学模型，可对黑曲霉柠檬酸发酵过程的结构模型进行补充和说明。讨论了发酵过程中关键状态变量在线估计与预报的方法，并给出了一种利用代谢通量平衡模型在线估计产物浓度的方法。