现代生物工艺学 上PDF电子书下载

第一篇 生物过程原理 1

1 生物技术概论 3

1.1 生物技术的内涵与特性 3

1.2 生物技术的发展过程 3

1.2.1 原始生物技术 4

1.2.2 非无菌条件下的生物技术 4

1.2.3 无菌条件下的生物技术 4

1.2.4 近代生物技术 4

1.3 生物技术的基础 5

1.3.1 微生物系统 5

1.3.2 酶系统 5

1.3.3 动物细胞系统 6

1.4 生物技术的进展 6

1.4.1 代谢系统工程方法 6

1.4.2 组合生物化学 8

1.4.3 系统生物技术 9

1.4.4 生理应力的响应 11

1.4.5 关联分析 12

1.4.6 工业规模发酵过程的多尺度问题 12

1.5 生物技术的应用 12

1.5.1 工业微生物及其产物 12

1.5.2 工业发酵的特性 12

1.6 现代生物技术在各个领域中的应用 13

1.6.1 生物医药 13

1.6.2 初级代谢物 14

1.6.3 次级代谢物 15

1.6.4 酶 15

1.6.5 生物转化 16

1.6.6 农业 16

1.6.7 聚合物 16

1.7 其他领域的生物技术 17

1.7.1 海洋生物技术 17

1.7.2 植物保护上的应用 17

1.7.3 生物技术在太空中的应用 17

参考文献 18

2 菌种来源，生物活性物质的筛选和菌种保藏 20

2.1 菌种来源 20

2.1.1 放线菌的分离 20

2.1.2 细菌的分离 23

2.1.3 真菌的分离 25

2.2 生物活性物质的筛选 29

2.2.1 靶标的确定 29

2.2.2 各种生物活性物质的筛选 29

2.2.3 筛选方法 30

2.2.4 化合物库的产生 31

2.2.5 宏基因组技术的应用 32

2.3 菌种保藏 33

2.3.1 斜面保藏法 33

2.3.2 石蜡油保藏法 33

2.3.3 载体保藏法 33

2.3.4 液体保藏法 33

2.3.5 冷冻保藏法 34

2.3.6 冷冻干燥保藏法 34

参考文献 35

3 新技术育种原理及其进展 38

3.1 遗传育种 38

3.1.1 传统诱变育种 39

3.1.2 基因工程育种 40

3.1.3 原生质体融合 42

3.2 突变株筛选技术 43

3.2.1 随机筛选 43

3.2.2 理性化选择 44

3.3 遗传学新技术 48

3.3.1 基于基因组的菌株重建 48

3.3.2 代谢工程 48

3.3.3 组学技术 48

3.3.4 大规模平行信号测序 50

3.3.5 定向进化 51

3.3.6 分子育种技术 51

3.3.7 全基因组改组 51

3.3.8 组合生物合成 51

3.4 应用 53

3.4.1 初级代谢产物的生产 53

3.4.2 次级代谢产物的生产 53

3.4.3 微生物酶 53

3.4.4 聚合物、燃料、食品和饮料 54

3.4.5 生物转化 54

3.5 结语 55

参考文献 56

4 基因工程原理 59

4.1 基因工程的基本工具 59

4.1.1 工具酶 59

4.1.2 载体 61

4.1.3 建立载体-宿主系统 62

4.2 基因的分离技术 62

4.2.1 构建基因文库 63

4.2.2 基因文库中特定基因筛选和分离 63

4.2.3 利用PCR技术扩增和分离基因 64

4.2.4 基因的化学合成 64

4.2.5 基因序列测定和序列数据库 65

4.3 基因操作技术 65

4.3.1 DNA重组体的筛选 66

4.3.2 基因突变、重组和体外分子进化 67

4.3.3 基因的导入和转移 68

4.4 基因表达系统 70

4.4.1 大肠杆菌基因表达系统 70

4.4.2 酵母基因表达系统 72

4.4.3 哺乳动物细胞基因表达系统 74

参考文献 75

5 代谢调控 77

5.1 酶活性的调节 78

5.1.1 代谢调节的部位 78

5.1.2 共价修饰 79

5.1.3 变（别）构控制 79

5.1.4 其他调节方式 80

5.2 酶合成的调节 80

5.2.1 诱导作用 81

5.2.2 分解代谢物阻遏 84

5.2.3 反馈调节 85

5.2.4 协调控制 90

5.3 代谢调控在氨基酸发酵中的应用 90

5.3.1 谷氨酸 91

5.3.2 赖氨酸 92

5.3.3 天冬氨酸 95

5.3.4 苯丙氨酸 95

5.4 次级代谢产物生物合成的调节与控制 96

5.4.1 参与抗生素合成作用的酶的诱导及解除阻遏 96

5.4.2 抗生素生物合成启动的控制 96

5.4.3 碳源分解代谢物的调节 97

5.4.4 氮源分解代谢物的调节 98

5.4.5 磷酸盐的调节作用 98

5.4.6 分解代谢产物对次级代谢调控的作用部位 100

5.4.7 抗生素生物合成的终止 101

5.4.8 人工克服微生物次级代谢调控作用的限制 101

5.4.9 定向抗生素生物合成 101

5.5 代谢工程方法应用于改进抗生素的生物合成 102

5.5.1 组成代谢与产生菌遗传性质的研究基础 102

5.5.2 次级代谢的调节 102

5.5.3 代谢流的分析 103

参考文献 103

6 培养基 105

6.1 培养基的成分及来源 105

6.1.1 碳源 106

6.1.2 氮源 107

6.1.3 无机盐及微量元素 109

6.1.4 前体、生长因子、促进剂和抑制剂 112

6.2 培养基的类型及选择 113

6.2.1 培养基的类型 113

6.2.2 培养基成分和配比的选择 114

6.2.3 影响培养基质量的因素 117

参考文献 119

7 种子扩大培养 120

7.1 种子制备工艺 120

7.1.1 实验室种子制备 121

7.1.2 生产车间种子制备 121

7.2 影响种子质量的因素 124

7.2.1 原材料影响 124

7.2.2 培养基成分的影响 124

7.2.3 培养条件 125

7.2.4 种子保藏的影响 126

7.2.5 接种方法对种子质量的影响 126

7.3 种子质量的控制措施 126

7.3.1 培养基成分质量的控制 126

7.3.2 种子质量的检测参数 127

7.3.3 种子稳定性的检查 127

7.3.4 无（杂）菌检查 127

7.3.5 种子液黏度的控制 128

参考文献 128

8 培养技术与过程建模 129

8.1 培养技术原理 129

8.1.1 分批培养 129

8.1.2 补料-分批培养 133

8.1.3 半连续培养 135

8.1.4 连续培养 135

8.1.5 与产物回收结合的培养 138

8.1.6 细胞高密度培养 140

8.2 过程建模 141

8.3 微生物过程动力学模型 142

8.3.1 细胞生长的动力学模型 143

8.3.2 速率和得率系数的定义 144

8.3.3 线性速率方程 145

8.3.4 理想生物反应器的物料平衡 146

8.3.5 生化过程的建模 147

8.4 微生物过程的放大 147

8.4.1 用于放大的标准 147

8.4.2 过程放大需考虑的因素 148

参考文献 149

9 发酵工艺监控 150

9.1 影响发酵的因素 150

9.1.1 温度 150

9.1.2 pH 151

9.1.3 溶氧 152

9.1.4 二氧化碳和呼吸熵 157

9.1.5 加糖，补料 159

9.1.6 比生长速率 160

9.1.7 菌丝生长形式 162

9.1.8 物理因素 163

9.1.9 氧化还原电位 165

9.2 发酵过程的监控 165

9.2.1 过程监控方式 166

9.2.2 泡沫 167

9.2.3 发酵终点的判断与自溶的监测 169

9.2.4 发酵染菌的防治及处理 171

9.3 发酵过程的综合控制与优化 172

9.3.1 补料的优化 173

9.3.2 补料分批培养中生产经济上的优化 173

9.4 发酵过程实时控制技术进展 173

9.4.1 发酵过程的非线性系统控制策略 174

9.4.2 在线代谢物流分析用于发酵过程的控制 174

9.4.3 发酵过程参数的相关分析 174

9.4.4 计算机在发酵监控方面的应用 175

参考文献 176

10 酶与细胞的固定化技术及其应用 179

10.1 概述 179

10.1.1 酶的固定化 180

10.1.2 微生物酶的固定化 180

10.1.3 微生物细胞的固定化 181

10.1.4 细胞器及动植物细胞的固定化 182

10.2 固定化方法 182

10.2.1 酶的固定化方法 182

10.2.2 微生物的固定化方法 184

10.2.3 整细胞的固定化方法 186

10.2.4 细胞器的固定化方法 188

10.2.5 动植物细胞的固定化方法 190

10.3 固定化酶（细胞）的性质及评价指标 192

10.3.1 固定化酶（细胞）的性质 192

10.3.2 固定化酶（细胞）的评价指标 197

10.4 固定化酶（细胞）的应用 198

10.4.1 固定化酶在工业上的应用 199

10.4.2 固定化酶在传感器方面的应用 200

参考文献 201

11 蛋白质组学及其在微生物学研究中的应用 202

11.1 引言 202

11.2 蛋白质组学研究基本技术 203

11.2.1 蛋白质分离 203

11.2.2 生物质谱与蛋白质鉴定 205

11.2.3 定量蛋白质组学 207

11.3 微生物蛋白质组学 209

11.3.1 病原微生物蛋白质组学 209

11.3.2 模式微生物蛋白质组学 210

11.4 展望 210

参考文献 211

12 动物细胞培养 212

12.1 动物细胞培养发展简史 212

12.2 体外培养动物细胞的种类 213

12.2.1 原代培养与传代培养 213

12.2.2 细胞系（株） 213

12.3 细胞系的保存 214

12.3.1 冻存保护剂 214

12.3.2 降温速率 215

12.4 动物细胞培养基 215

12.4.1 天然培养基 215

12.4.2 合成培养基 216

12.4.3 无血清培养基 216

12.5 动物细胞培养的代谢调控 218

12.5.1 葡萄糖和谷氨酰胺的代谢 218

12.5.2 主要代谢副产物：乳酸和氨 219

12.5.3 氨基酸的代谢 220

12.6 动物细胞的大规模培养 220

12.6.1 动物细胞培养方法 220

12.6.2 动物细胞培养生物反应器 222

12.6.3 动物细胞培养应用 224

12.7 昆虫细胞的培养 226

12.7.1 昆虫细胞用培养基 227

12.7.2 昆虫细胞大规模细胞培养和病毒培养 228

参考文献 230

13 植物细胞培养 232

13.1 培养基的组成、配制和灭菌 232

13.1.1 培养基的成分 232

13.1.2 培养基的配制 235

13.1.3 培养基的灭菌 235

13.2 培养设施 236

13.2.1 洗涤设备的要求和选择 236

13.2.2 灭菌和无菌设备的要求和选择 236

13.2.3 培养设备的要求和选择 236

13.2.4 其他设备的选择 237

13.3 培养操作 237

13.3.1 植物组织的选取 237

13.3.2 植物组织的消毒灭菌处理 238

13.3.3 愈伤组织的诱导 238

13.3.4 愈伤组织的维持和继代培养 240

13.4 次生代谢产物的生产 241

13.4.1 次生代谢产物概念和分类 241

13.4.2 提高次生代谢产物产量的途径 241

13.4.3 提高次生代谢产物产量的技术 243

13.5 植物细胞反应器 244

13.5.1 生长动力学 244

13.5.2 植物细胞培养反应器 244

13.5.3 反应器的比较与选择 246

13.5.4 反应器操作策略 247

参考文献 249

第二篇 生物物质分离和纯化原理 251

14 下游加工过程概论 253

14.1 下游加工过程的重要性与特点 253

14.2 分离纯化一般流程 254

14.3 分离基本原理及选择技术的原则 256

14.3.1 分离纯化方法的基本原理 256

14.3.2 分离纯化技术路线的选择原则 257

14.4 分离纯化方法的综合运用与工艺优化 258

14.4.1 收率与纯度之间的平衡 259

14.4.2 经济性考虑 259

14.4.3 工艺放大与中试 259

参考文献 260

15 发酵液的预处理和固液分离方法 261

15.1 发酵液的预处理 261

15.1.1 加热法 261

15.1.2 凝聚和絮凝法 261

15.1.3 添加助滤剂法 263

15.2 发酵液的过滤 264

15.2.1 过滤操作与计算 264

15.2.2 过滤设备的分类 266

15.2.3 过滤设备的选择 268

15.2.4 过滤介质 269

15.3 发酵液的离心分离 269

15.3.1 基本概念 270

15.3.2 离心工艺计算与选型 270

15.3.3 离心设备的放大 272

15.4 发酵液的离心过滤 272

15.4.1 工作原理 272

15.4.2 离心过滤设备 273

参考文献 275

16 细胞破碎与非选择性蛋白分离 276

16.1 细胞壁的组成和结构 276

16.1.1 细菌 276

16.1.2 酵母菌 277

16.1.3 霉菌和藻类 277

16.1.4 植物细胞壁的化学组成和结构 277

16.2 细胞的破碎技术 278

16.2.1 细胞破碎方法概述 278

16.2.2 高压匀浆法 279

16.2.3 高速珠磨法 280

16.2.4 超声破碎 282

16.2.5 物理方法 282

16.2.6 化学方法 282

16.2.7 生物方法 283

16.2.8 非机械法与机械法的比较 284

16.3 细胞破碎的评价 285

16.3.1 直接计数法 285

16.3.2 间接计数法 285

参考文献 286

17 沉淀法 287

17.1 蛋白质表面特性与其溶液稳定性 287

17.1.1 蛋白质表面特性 287

17.1.2 蛋白质溶液的稳定性 287

17.2 盐析 288

17.2.1 盐析原理 288

17.2.2 Cohn方程式 289

17.2.3 影响盐析的因素 289

17.2.4 盐析用盐的选择 290

17.2.5 盐析操作 291

17.2.6 盐析应用 291

17.3 等电点沉淀 292

17.3.1 等电点沉淀原理 292

17.3.2 等电点沉淀操作 293

17.4 有机溶剂沉淀 293

17.4.1 有机溶剂沉淀原理 293

17.4.2 沉淀溶剂的选择 294

17.4.3 有机溶剂沉淀的影响因素 294

17.4.4 有机溶剂沉淀的特点 295

17.5 热沉淀 295

17.6 其他沉淀法 295

17.6.1 水溶性非离子型聚合物沉淀剂 295

17.6.2 生成盐类复合物的沉淀剂 296

17.6.3 离子型多聚物沉淀剂 296

17.6.4 氨基酸类沉淀剂 296

17.6.5 离子型表面活性剂 296

参考文献 297

18 膜分离过程 298

18.1 膜分离类型及基本原理 298

18.1.1 膜分离类型 298

18.1.2 微滤和超滤 299

18.1.3 反渗透 300

18.1.4 纳滤 300

18.1.5 透析 301

18.1.6 渗透汽化 301

18.1.7 电渗析 302

18.1.8 膜萃取 303

18.2 膜材料及性能参数 303

18.2.1 膜材料 303

18.2.2 膜的结构 304

18.2.3 膜的性能参数 304

18.3 膜组件 305

18.3.1 膜组件的分类及基本特性 305

18.3.2 管式膜组件 306

18.3.3 平板膜组件 306

18.3.4 螺旋卷式膜组件 307

18.3.5 中空纤维（毛细管）式膜组件 308

18.4 膜分离器的运行 309

18.4.1 膜分离过滤基本方式 309

18.4.2 超滤及微滤膜分离过程的操作方式 310

18.5 超滤和微滤膜分离的影响因素及工艺措施 311

18.5.1 膜的劣化、膜污染以及浓差极化 311

18.5.2 膜的清洗 312

18.6 膜过滤在生物及相关产业中的应用 313

18.6.1 细胞收集和发酵液澄清 313

18.6.2 酶、蛋白质等大分子物质的浓缩和精制 313

18.6.3 小分子量发酵产品的分离与浓缩 313

18.6.4 超滤在血液制品中的应用 314

18.6.5 低聚糖的分离和精制 314

18.6.6 膜基溶剂萃取 314

18.6.7 无机膜的应用 315

参考文献 315

19 溶剂萃取，两水相萃取法 316

19.1 分配定律 316

19.2 溶剂的选择 318

19.2.1 萃取过程的选择性 318

19.2.2 萃取溶剂的选择 318

19.3 萃取方式与收得率 319

19.3.1 单级萃取 320

19.3.2 多级萃取 321

19.3.3 其他萃取方式 325

19.4 影响溶剂萃取的主要因素 326

19.5 两（双）水相萃取 326

19.5.1 双水相系统的类型 327

19.5.2 双水相系统的相平衡特性 329

19.5.3 影响双水相萃取的因素 330

19.5.4 双水相萃取的应用 331

参考文献 332

20 离子交换法 333

20.1 基本概念 333

20.1.1 离子交换反应与离子交换剂 333

20.1.2 离子交换树脂的组成 334

20.1.3 离子交换树脂的分类 334

20.1.4 大孔树脂 334

20.2 离子交换树脂的性质与测定 335

20.2.1 生物相容性 335

20.2.2 结构性能 335

20.2.3 理化性能 336

20.3 影响离子交换过程的因素 337

20.3.1 离子交换平衡 338

20.3.2 离子交换速度 339

20.3.3 树脂的影响 339

20.3.4 pH的影响 340

20.3.5 温度的影响 340

20.3.6 流速的影响 341

20.4 树脂的选择与交换工艺 341

20.4.1 树脂选择 341

20.4.2 操作工艺 342

参考文献 344

21 吸附法与色层分离 345

21.1 吸附过程的基础理论 345

21.1.1 有关概念 345

21.1.2 吸附的类型 346

21.1.3 吸附等温线 347

21.2 吸附操作方式及工艺过程 349

21.2.1 分批式与连续式吸附 349

21.2.2 固定床吸附 349

21.2.3 膨胀（扩张）床吸附 350

21.3 影响吸附过程的主要因素 351

21.3.1 吸附剂的性质 351

21.3.2 吸附物的性质 351

21.3.3 溶液pH和温度的影响 352

21.3.4 其他组分的影响 352

21.4 大网格聚合物吸附剂及其应用 352

21.4.1 大网格聚合物吸附剂 352

21.4.2 大网格聚合物吸附剂的应用 353

21.5 色层分离的基本概念、原理和特点 354

21.6 色层分离的分类及色层展开技术 356

21.6.1 色层分离的分类 356

21.6.2 色层展开技术 357

21.7 色层分离方法的选择及主要色层分离法 358

21.7.1 色层分离方法的选择 358

21.7.2 主要色层分离法 359

参考文献 362

22 电泳分离法 363

22.1 引言 363

22.2 电泳过程基础 363

22.2.1 电泳过程原理 363

22.2.2 电泳淌度的影响因素 364

22.3 电泳分类 365

22.3.1 移界电泳法 366

22.3.2 区带电泳法 367

22.3.3 等速电泳 368

22.3.4 等电聚焦 369

22.4 制备电泳 369

22.4.1 连续自由流电泳 370

22.4.2 使用支持物的连续电泳 370

22.4.3 制备凝胶电泳 370

22.4.4 制备等电聚焦电泳 372

22.4.5 与其他分离过程偶合的制备电泳技术 374

参考文献 374

23 蛋白质的分离与纯化 375

23.1 引言 375

23.2 包涵体的形成 375

23.3 包涵体表达的特性及对分离纯化的影响 376

23.3.1 包涵体表达的特性 376

23.3.2 包涵体对分离纯化的影响 376

23.4 包涵体的分离纯化工艺过程 377

23.4.1 菌体细胞的收集与破碎 377

23.4.2 包涵体的分离、洗涤与溶解 377

23.4.3 变性蛋白质的纯化 378

23.5 重组蛋白的体外折叠 378

23.5.1 重新折叠的方法 378

23.5.2 重新折叠的影响因素 380

23.5.3 复性蛋白质的检测 380

参考文献 381

24 结晶与干燥 382

24.1 结晶 382

24.1.1 概述 382

24.1.2 结晶分离过程基本理论 383

24.1.3 结晶设备的类型和特点 386

24.2 冷冻干燥 388

24.2.1 概述 388

24.2.2 冷冻干燥的原理 388

24.2.3 冷冻干燥设备 391

24.2.4 冷冻干燥操作步骤 392

24.3 喷雾干燥 393

24.3.1 概述 393

24.3.2 喷雾干燥基本原理 393

24.3.3 喷雾干燥流程 394

24.3.4 雾化器 395

24.3.5 干燥室 396

参考文献 397