现代工业发酵调控学 第3版PDF电子书下载

1 微生物生长与调节 1

1.1 微生物的生长 1

1.1.1 生长的形式 1

1.1.1.1 细菌的生长 1

1.1.1.2 酵母的生长 2

1.1.1.3 菌丝的生长 3

1.1.1.4 细胞群体的生长 4

1.1.1.5 细菌群体的生长周期 5

1.1.2 生长的测量 6

1.1.2.1 细胞数目的测量 7

1.1.2.2 细胞量的测量 8

1.1.2.3 生物量的在线测量 10

1.1.3 环境对生长的影响 13

1.1.3.1 物理环境 13

1.1.3.2 化学环境 17

1.1.4 生长的变量和约束 20

1.1.4.1 细胞的大分子成分 20

1.1.4.2 限制步骤 21

1.1.4.3 生长对能量的需求 21

1.1.4.4 微生物热的释放 22

1.2 细胞周期 22

1.2.1 染色体复制与细胞分裂的调节 23

1.2.2 染色体复制的启动 24

1.2.3 细胞周期的研究方法 24

1.2.3.1 镜检法 24

1.2.3.2 同步培养法 24

1.2.3.3 同位素示踪法 24

1.2.4 生长速率与细胞大小的关系 26

1.2.5 生长速率对细胞内DNA含量的影响 27

1.2.6 生长速率对细胞组分的影响 28

1.3 生长效率 28

1.3.1 得率系数 28

1.3.1.1 分子得率系数 28

1.3.1.2 碳转化效率 29

1.3.1.3 电子平均数为基准的得率 29

1.3.1.4 基于热的产生的得率 29

1.3.1.5 以氧耗为基准的得率 30

1.3.1.6 基于ATP消耗的得率 30

1.3.2 测定生长效率时应注意的实际问题 31

1.3.2.1 分批与恒化培养 31

1.3.2.2 培养基组成 31

1.3.2.3 流出液的控制 31

1.3.2.4 取样与代谢物的分析 31

1.3.3 用于生物量形成的能量需求 31

1.3.4 呼吸效率 32

1.3.5 维持能与环境因素的关系 33

1.3.5.1 渗透压 33

1.3.5.2 水活度 34

1.3.5.3 氧和二氧化碳分压 34

1.3.5.4 温度 36

1.3.5.5 pH 36

1.3.5.6 副产物对生长得率的影响 37

1.4 生长调节 37

1.4.1 菌丝顶端生长 37

1.4.1.1 菌丝顶端生长机制 38

1.4.1.2 泡囊如何在菌丝顶端聚集 39

1.4.1.3 菌丝生长过程 39

1.4.2 菌丝分枝规律 40

1.4.2.1 分枝的形成 40

1.4.2.2 菌丝生长单位 40

1.4.2.3 菌丝结团的动力学 41

1.4.2.4 菌球内部扩散限制的后果 42

1.4.2.5 游离菌丝与菌球的破碎 43

1.4.3 微生物生长分化的调节 43

1.4.3.1 极化生长的调节 44

1.4.3.2 菌丝分枝启动的调节 44

1.4.3.3 菌丝空间分布的调节 45

1.4.3.4 链霉菌生长的调节 45

1.5 运输过程 46

1.5.1 细胞膜的结构与功能 48

1.5.2 运输器的分类系统 49

1.5.3 运输机制 49

1.5.3.1 通道与孔 51

1.5.3.2 电化势能驱动的运输器（次级运输过程） 52

1.5.3.3 初级主动运输器 54

1.5.3.4 基团转运蛋白 54

1.5.3.5 跨膜电子流系统 57

1.5.3.6 大分子的运输 57

1.5.4 运输过程动力学 57

思考题 59

参考文献 60

2 微生物的基础代谢 62

2.1 能量代谢原理 62

2.1.1 能量代谢的热力学 63

2.1.1.1 热力学第一定律和热焓 63

2.1.1.2 热力学第二定律、第三定律和熵 64

2.1.2 能量的产生与偶合 65

2.1.2.1 能量的产生 65

2.1.2.2 高能化合物 66

2.1.2.3 能量的偶合 67

2.1.3 氧还电位和移动电子载体 68

2.1.3.1 氧还电位 68

2.1.3.2 移动电子载体 68

2.2 微生物的分解代谢 69

2.2.1 葡萄糖分解代谢 69

2.2.1.1 酵解（EMP）途径 70

2.2.1.2 己糖单磷酸支路（HMS） 70

2.2.1.3 恩特纳-多多罗夫（ED）途径 71

2.2.1.4 磷酸解酮酶（PK）途径 71

2.2.1.5 各种葡萄糖分解途径的相互关系 71

2.2.1.6 三羧酸（TCA）循环 71

2.2.1.7 乙醛酸循环 72

2.2.2 多糖和单糖的利用 72

2.2.3 厌氧代谢过程 73

2.2.3.1 乙醇发酵 73

2.2.3.2 丙酮、丁醇、乙酸、丁酸发酵 74

2.2.3.3 乳酸、丁二醇、甲烷发酵 78

2.2.4 脂肪酸、脂烃和芳香烃的氧化 81

2.2.5 氮的循环和氨基酸的降解 82

2.2.5.1 氮的循环 82

2.2.5.2 氨基酸的降解 83

2.2.6 硫的代谢 83

2.2.7 核苷酸的降解和有机磷的代谢 84

2.2.8 聚合物的氧化 85

2.2.8.1 淀粉 86

2.2.8.2 纤维素 86

2.3 微生物的组成代谢 87

2.3.1 C1的同化 88

2.3.2 分子氮的同化 89

2.3.3 硝酸盐的同化 89

2.3.4 氨的同化 90

2.3.5 硫酸盐的同化 90

2.3.6 氨基酸的生物合成 91

2.3.6.1 谷氨酸族的生物合成 91

2.3.6.2 天冬氨酸族的生物合成 93

2.3.6.3 芳香氨基酸族的生物合成 94

2.3.6.4 丝氨酸族的生物合成 96

2.3.6.5 丙氨酸族的生物合成 97

2.3.6.6 组氨酸的生物合成 97

2.3.6.7 经氨基酸途径的含氮化合物的生物合成 97

2.3.7 核苷酸的生物合成 99

2.3.7.1 核糖核苷酸的生物合成 99

2.3.7.2 脱氧核糖核苷酸的生物合成 101

2.3.7.3 细菌对外源嘌呤、嘧啶碱及其核苷的利用 102

2.3.8 脂质的生物合成 102

2.3.8.1 脂肪酸的生物合成 102

2.3.8.2 不饱和脂肪酸的生物合成 105

2.3.8.3 磷脂的生物合成 108

2.3.9 聚类异戊二烯化合物的合成 108

2.3.10 甾类化合物 109

2.3.11 糖磷酸酯与糖核苷酸 112

2.3.12 多糖的生物合成 113

思考题 114

参考文献 115

3 代谢调节与代谢工程 116

3.1 酶活性的调节 117

3.1.1 代谢调节的部位 117

3.1.2 共价修饰 118

3.1.2.1 可逆共价修饰 118

3.1.2.2 不可逆共价修饰 118

3.1.3 变构效应 119

3.1.3.1 协同作用 119

3.1.3.2 变构效应的由来 121

3.1.3.3 变构效应的解释 122

3.1.3.4 变构调节的特征 122

3.1.4 其他调节方式 122

3.1.4.1 缔合与解离 122

3.1.4.2 竞争性抑制 123

3.2 酶合成的调节 123

3.2.1 诱导作用 123

3.2.1.1 诱导作用的分子水平的机制 124

3.2.1.2 顺序诱导作用 125

3.2.1.3 诱导物的种类与效率 125

3.2.1.4 诱导调节的克服 127

3.2.1.5 组成型突变株的获得 127

3.2.2 分解代谢物阻遏 127

3.2.2.1 分解代谢物阻遏效应 128

3.2.2.2 分解代谢物阻遏的分子机制 128

3.2.2.3 分解代谢物阻遏作用的克服 129

3.2.2.4 耐分解代谢物阻遏的突变株的获得 130

3.2.2.5 氮分解代谢物的调节 131

3.2.3 反馈调节 131

3.2.3.1 反馈阻遏在分子水平上的作用机制 132

3.2.3.2 反馈调节作用的消除 132

3.2.3.3 分离耐末端代谢产物调节的突变株的方法 134

3.2.3.4 反馈抑制 136

3.2.4 分支途径的调节方式 136

3.2.4.1 分支途径中末端产物的调节 136

3.2.4.2 微生物代谢调节机制的多样性 138

3.2.5 避开微生物固有代谢调节，过量生产代谢产物 139

3.2.5.1 积累末端产物 139

3.2.5.2 细胞膜通透性的改变 140

3.2.5.3 能荷的调节 141

3.2.5.4 无机聚磷酸的代谢与功能 142

3.3 代谢系统的分子控制机制 142

3.3.1 真细菌转录的基础 143

3.3.1.1 RNA聚合酶 143

3.3.1.2 转录途径 143

3.3.1.3 启动子的识别 144

3.3.2 DNA结合蛋白：激活剂与阻遏物 146

3.3.3 双组分调节系统 146

3.3.4 RNA水平的调节机制：衰减器模型 148

3.4 代谢调节 148

3.4.1 糖代谢调节 148

3.4.1.1 巴斯德效应或氧效应 148

3.4.1.2 克列勃特里或葡萄糖效应 151

3.4.2 氨基酸合成的调节 153

3.4.3 核苷酸合成的调节 154

3.4.3.1 肌苷 154

3.4.3.2 鸟苷 155

3.4.3.3 腺苷 155

3.5 代谢工程 155

3.5.1 概论 155

3.5.2 代谢流（物流、信息流）的概念 156

3.5.2.1 有关术语 156

3.5.2.2 物流与酶的关系 157

3.5.2.3 物流限制作用的克服 158

4.2.1.1 内源前体 187

4.2.1.2 外源前体 190

4.2.2 前体的作用 192

4.2.2.1 起抗生素建筑材料作用 192

4.2.2.2 诱导抗生素生物合成的作用 192

4.2.2.3 前体与诱导物的区别 193

4.2.2.4 研究前体作用的方法 193

4.2.2.5 新抗生素的定向生物合成 194

4.2.3 前体的限制性 194

4.2.3.1 前体合成的调节机制 194

4.2.3.2 前体导向抗生素的合成 194

4.2.3.3 添加前体的策略 195

4.3 次级代谢物生物合成原理 195

4.3.1 把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径 195

4.3.2 前体聚合作用过程 195

4.3.3 次级代谢物结构的后几步修饰 196

4.3.4 复合抗生素中不同部分的装配 196

4.3.5 次级代谢物合成酶的专一性 197

4.4 抗生素的生物合成 197

4.4.1 短链脂肪酸为前体的抗生素 197

4.4.1.1 大环内酯类抗生素 198

4.4.1.2 四环类抗生素 208

4.4.1.3 蒽环类抗生素 213

4.4.2 氨基酸为前体的抗生素 213

4.4.2.1 青霉素簇抗生素 213

4.4.2.2 头孢菌素簇抗生素 217

4.4.2.3 其他β-内酰胺类抗生素 219

4.4.2.4 肽类抗生素的生物合成 221

4.4.3 经修饰的糖为前体的抗生素 223

4.4.3.1 链霉素的生物合成 223

4.4.3.2 氨基糖苷类抗生素的调节 225

4.4.3.3 次要组分的调控 226

4.4.3.4 调节因子 226

4.4.3.5 突变生物合成 228

4.5 微生物次级代谢作用的调控 229

4.5.1 微生物的次级代谢与其生命活动的关系 229

4.5.1.1 次级代谢在微生物中所起的作用 229

4.5.1.2 次级代谢与生长、分化的关系 229

4.5.2 次级代谢产物生物合成的调节与控制 230

4.5.2.1 参与抗生素合成作用的酶的诱导及解除阻遏 230

4.5.2.2 抗生素生物合成启动的控制 231

4.5.2.3 碳源分解代谢物的调节 232

4.5.2.4 氮源分解代谢物的调节 233

4.5.2.5 磷酸盐的调节 235

4.5.2.6 分解代谢产物对次级代谢控制的作用部位 237

4.5.2.7 分解代谢产物作为次级代谢产物合成的胞内调控因子 237

4.5.2.8 抗生素生物合成的终止 239

4.5.2.9 人工克服微生物次级代谢调控作用的限制 239

4.5.2.10 定向抗生素生物合成 240

4.5.3 基因工程在提高生产性能上的应用 240

4.5.3.1 强化表达网络调控机构的正向调节 240

4.5.3.2 改变表达体系 241

4.5.3.3 扩增抗生素产生菌的抗性基因 242

4.5.3.4 提高编码关键酶的基因剂量 242

4.5.3.5 提高转译水平的表达效率 243

4.5.3.6 增强重组菌的生长能力 244

4.5.3.7 调节性启动子 244

4.5.3.8 提高菌在限氧下的生长与生产能力 245

4.5.3.9 强化产物的分泌 246

4.5.4 合成生物学 246

思考题 246

参考文献 247

5 发酵过程控制与优化 250

5.1 发酵过程技术原理 250

5.1.1 分批发酵 251

5.1.1.1 分批发酵的基础理论 251

5.1.1.2 重要的生长参数 253

5.1.1.3 分批发酵的优缺点 253

5.1.2 补料-分批发酵 254

5.1.2.1 理论基础 254

5.1.2.2 分批补料的优化 255

5.1.3 半连续发酵 256

5.1.4 连续发酵 257

5.1.4.1 单级连续发酵的理论基础 257

5.1.4.2 多级连续培养 258

5.1.4.3 连续培养在工业生产中的应用 259

5.1.4.4 连续培养中存在的问题 259

5.1.5 与产物回收结合的培养 261

5.1.5.1 膜分离与发酵耦合 262

5.1.5.2 溶剂萃取与发酵耦合 266

5.1.5.3 膜固定化细胞反应器的原理和应用 267

5.1.5.4 挥发性产物的回收与发酵耦合 267

5.1.5.5 吸附发酵 268

5.1.6 高细胞密度培养 268

5.1.6.1 研究应用概况 269

5.1.6.2 达到高细胞密度的手段 269

5.1.6.3 存在问题 270

5.1.6.4 成功范例 270

5.1.7 混合或共培养系统 270

5.1.8 固态发酵 271

5.1.9 动物细胞培养 271

5.2 发酵条件的影响及其控制 272

5.2.1 培养基对发酵的影响 273

5.2.1.1 养分的需求 273

5.2.1.2 生长能量学对产物形成的影响 275

5.2.1.3 碳和能量限制 275

5.2.1.4 氮或硫限制对产物合成的影响 277

5.2.1.5 钾限制对产物形成的影响 278

5.2.1.6 磷、镁或铁限制对产物形成的影响 279

5.2.1.7 基质浓度对发酵的影响及其控制 279

5.2.1.8 培养基的优化 280

5.2.2 灭菌情况 283

5.2.3 种子质量 283

5.2.3.1 接种菌龄 283

5.2.3.2 接种量 283

5.2.4 温度对发酵的影响 284

5.2.4.1 温度对产物合成的影响 284

5.2.4.2 最适温度的选择 284

5.2.5 pH的影响 285

5.2.5.1 发酵过程中pH变化的规律 285

5.2.5.2 培养基pH对初级代谢产物合成的影响 285

5.2.5.3 最适pH的选择 286

5.2.5.4 pH的监控 287

5.2.6 氧的供需对发酵的影响及其控制 288

5.2.6.1 临界氧 289

5.2.6.2 溶氧作为发酵异常的指示 290

5.2.6.3 溶氧的控制 291

5.2.6.4 溶氧参数在过程控制方面的应用 293

5.2.6.5 通过溶氧的控制提高产物合成的事例 294

5.2.7 二氧化碳和呼吸商 296

5.2.7.1 CO2对发酵的影响 296

5.2.7.2 呼吸商与发酵的关系 298

5.2.8 加糖和补料对发酵的影响及其控制 299

5.2.8.1 补料的策略 299

5.2.8.2 补料的判断和依据 301

5.2.8.3 补料的优化 303

5.2.9 比生长速率的影响与控制 304

5.2.9.1 程序控制器/反馈补偿器系统 305

5.2.9.2 谷胱甘肽 306

5.2.9.3 酿酒酵母 306

5.2.9.4 其他产物 306

5.2.10 混合效果 307

5.2.10.1 斜6平叶涡轮式搅拌器及不同进料方式 307

5.2.10.2 栅桨式搅拌器 307

5.2.10.3 各种搅拌器的组合及反应器流场分布特性对产物形成的影响 308

5.2.10.4 流变学的测量 309

5.2.10.5 计算流体动力学分析在生物反应器中的应用 310

5.2.11 超声波、微波、磁场、电流对发酵的影响 310

5.2.11.1 超声波 310

5.2.11.2 微波 311

5.2.11.3 磁场 311

5.2.11.4 电流 311

5.2.12 氧化还原电位对发酵的影响 311

5.2.13 过程参数对丝状菌形态与产物合成的影响 312

5.2.13.1 种子与菌球的形成 313

5.2.13.2 培养基组成对菌形态的影响 313

5.2.13.3 碳源的影响 313

5.2.13.4 氮源与磷酸盐对形态与生产的影响 313

5.2.13.5 金属离子与形态的关系 314

5.2.13.6 溶氧的影响 314

5.2.13.7 溶解CO2的影响 314

5.2.13.8 培养液pH与形态的关系 315

5.2.13.9 温度的影响 315

5.2.13.10 机械应力的作用 315

5.2.13.11 真菌的形态与培养液的流变性 317

5.2.13.12 真菌发酵的形态特征的描述 317

5.2.13.13 真菌发酵中的生长与产物形成的模型 318

5.2.14 发酵过程参数的相关分析 319

5.2.15 发酵规模的缩小与放大 320

5.3 泡沫对发酵的影响及其控制 320

5.3.1 泡沫的产生及其影响 320

5.3.2 发酵过程中泡沫的消长规律 321

5.3.3 泡沫的控制 321

5.3.3.1 机械消泡 322

5.3.3.2 消泡剂消泡 322

5.3.3.3 消泡剂的应用 322

5.4 发酵终点的判断与自溶的监测 323

5.4.1 发酵终点的判断 323

5.4.2 补料分批培养中生产经济上的优化 324

5.4.3 自溶的监测 324

5.4.3.1 细胞的老化与自溶 324

5.4.3.2 发酵后期菌自溶的监测 325

5.4.4 影响自溶的因素 326

5.5 发酵染菌的防治及处理 326

5.5.1 染菌的途径分析 327

5.5.2 染菌的判断和防治 327

5.5.3 生产技术管理对染菌防止的重要性 328

5.6 基因工程菌在生物工程中的应用 329

5.6.1 源自克隆基因的蛋白 329

5.6.1.1 人血清白蛋白基因的合成及其表达 329

5.6.1.2 胰岛素 329

5.6.1.3 生长激素 330

5.6.1.4 促红细胞生成素 331

5.6.1.5 人β2-糖蛋白 331

5.6.1.6 白细胞介素 331

5.6.1.7 GFP-融合监测法在在线优化中的应用 332

5.6.1.8 重组人载脂蛋白 332

5.6.2 干扰素 332

5.6.2.1 高密度细胞培养的策略 332

5.6.2.2 重组菌的高密度培养和α-干扰素的表达 333

5.6.2.3 酿酒酵母的高密度培养及人免疫干扰素的表达 333

5.6.3 氨基酸 334

5.6.3.1 基因技术在氨基酸生产方面的应用 334

5.6.3.2 利用重组大肠杆菌生产色氨酸 335

5.6.4 肌苷酸和鸟苷酸 335

5.6.5 微生物多糖 337

5.6.6 植酸酶 337

5.6.7 S-腺苷-L-甲硫氨酸 337

思考题 338

参考文献 338

6 发酵过程参数检测与计算机监控 345

6.1 发酵过程参数监控的研究概况 345

6.1.1 设定参数 346

6.1.2 状态参数 346

6.1.3 间接参数 347

6.1.4 发酵样品的离线分析 348

6.2 生物过程控制的特征 348

6.2.1 对生物过程控制规范化的要求 349

6.2.2 在线发酵仪器的研究进展 349

6.2.3 计算机在发酵监控方面的应用 352

6.3 用于控制的生物过程建模 352

6.3.1 传统过程模型 353

6.3.2 线性黑箱模型 354

6.3.3 非线性黑箱模型 354

6.3.4 生产过程建模 355

6.4 发酵过程估算技术 356

6.4.1 传统的基于模型的估算 357

6.4.2 基于线性黑箱模型的估算 357

6.4.3 基于非线性黑箱模型的估算 358

6.5 发酵过程的控制策略 358

6.5.1 发酵过程的PID控制 358

6.5.2 发酵过程的推理控制 359

6.5.3 发酵过程的适应性（预估）控制 359

6.5.4 发酵过程的非线性控制 360

6.5.5 发酵过程的优化控制 360

6.5.6 用于发酵监督与控制的知识库系统 360

6.5.7 工业规模的发酵故障分析系统 362

6.6 用于发酵诊断和控制的数据分析 362

6.6.1 发酵测量与估算变量分类 362

6.6.1.1 生物过程的输入-输出表示法 362

6.6.1.2 计算关联 364

6.6.1.3 动态过程代谢状态的在线化学计量与鉴别 364

6.6.2 代谢速率的计算 366

6.6.2.1 普通平衡方程 366

6.6.2.2 消耗速率 366

6.6.2.3 生产速率 369

6.6.3 不能直接测量的生物过程参数的估算 372

6.6.3.1 概念和实例介绍 372

6.6.3.2 估算方法 373

6.6.3.3 用观察器进行状态估算 379

6.6.3.4 不同技术的评估 382

6.6.4 积分与平均数量的计算 382

6.6.4.1 积分变量 382

6.6.4.2 平均变量 382

6.6.5 生理状态变量的计算 383

6.6.5.1 生理状态变量的分类 383

6.6.5.2 生理状态细胞水平级的监测方法 385

6.6.5.3 生理状态控制结构 386

6.6.5.4 整合转录轮廓与代谢物轮廓信息指导发酵生产过程 387

6.7 基于模式识别技术的新方法 391

6.7.1 模式识别的好处 391

6.7.2 模式识别方法与数据分析 391

6.7.3 用于监控的时序的量变曲线分析 393

6.7.4 结论 397

思考题 398

参考文献 398