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第1章 生物反应过程动力学 1

1.1 酶催化反应动力学 2

1.1.1 单底物酶反应动力学 2

1.1.2 酶的抑制动力学 5

1.1.3 多底物酶反应动力学 8

1.1.4 别构酶反应动力学 11

1.1.5 pH和温度对酶反应的影响 12

1.2 细胞反应过程动力学 15

1.2.1 细胞反应的特征及其动力学的描述方法 15

1.2.2 细胞反应计量学 16

1.2.3 细胞生长的非结构动力学 18

1.2.4 产物生成与底物消耗动力学 20

1.2.5 细胞生长的结构模型 23

1.2.6 细胞生长的分离模型 28

1.3 固定化生物催化反应过程动力学 32

1.3.1 固定化生物催化反应的特征 32

1.3.2 外扩散对反应速率的影响 35

1.3.3 内扩散对反应速率的影响 38

1.3.4 内外扩散同时存在时的有效因子 44

1.3.5 化学抑制和分配效应对扩散过程的影响 46

1.3.6 固定化生物催化剂的表观稳定性 46

主要符号一览表 47

参考文献 48

第2章 生物反应器 50

2.1 生物反应器的操作模型 51

2.1.1 间歇操作的搅拌槽式反应器（BSTR） 52

2.1.2 连续操作的搅拌槽式反应器（CSTR） 55

2.1.3 连续操作的管式反应器（CPFR） 61

2.1.4 半间歇式操作的反应器（Fed-Batch） 63

2.1.5 反应-分离偶合操作的反应器 64

2.2 机械搅拌槽式反应器 65

2.2.1 反应器结构与搅拌装置 65

2.2.2 反应器的传递特性 67

2.2.3 反应器的混合特性 74

2.3 气体搅拌塔式反应器 78

2.3.1 鼓泡式反应器 78

2.3.2 气升式反应器 82

2.4 固定床式生物反应器 85

2.4.1 固定床式反应器 85

2.4.2 固态发酵反应器 87

2.5 膜式生物反应器 89

2.5.1 直接接触式膜式反应器 89

2.5.2 扩散式膜式反应器 90

2.5.3 多相式膜式反应器 90

2.6 生物反应器的动态特性 91

2.6.1 底物限制动力学条件下CSTR的稳定性 92

2.6.2 底物抑制动力学条件下CSTR的稳定性 93

2.7 生物反应器的放大 94

2.7.1 经验放大法 95

2.7.2 缩小-放大法 96

2.7.3 数学模型法 97

主要符号一览表 100

参考文献 101

第3章 酶和细胞的固定化技术及其应用 102

3.1 酶的概述 102

3.2 酶固定化的概念和优点 103

3.3 固定化载体的选择 104

3.3.1 常用的固定化酶载体 104

3.3.2 新型固定化载体 105

3.4 酶的固定化方法 105

3.4.1 常见的固定化法 105

3.4.2 新型固定化方法 112

3.5 固定化酶的性质 114

3.5.1 稳定性 114

3.5.2 最适温度 115

3.5.3 最适pH值 115

3.5.4 催化活性 115

3.6 细胞固定化 116

3.6.1 吸附法固定细胞 116

3.6.2 包埋法固定细胞 117

3.7 固定化酶在精细化学品合成方面的应用 117

3.7.1 类可可脂的合成 117

3.7.2 酶促长链单脂肪酸甘油酯的合成 118

3.7.3 酶促维生素A棕榈酸酯的合成 119

3.7.4 酶促维生素棕榈酸异辛酯的合成 120

参考文献 120

第4章 非水相生物催化 122

4.1 概述 122

4.2 典型的生物催化介质系统 124

4.2.1 单一的水或缓冲溶液系统 125

4.2.2 水-有机溶剂单相系统 125

4.2.3 水-有机溶剂两相系统 125

4.2.4 含有表面活性剂的乳液或微乳液系统 126

4.2.5 微水有机溶剂单相系统 127

4.2.6 超临界流体系统 128

4.2.7 离子液体介质系统 128

4.2.8 无溶剂或少溶剂反应系统 129

4.3 非水溶剂的影响及其选择原则 130

4.3.1 非水溶剂对酶选择性的影响 130

4.3.2 非水溶剂对酶稳定性的影响 130

4.3.3 非水溶剂的选择原则 131

4.4 水活度的影响及其控制方法 132

4.4.1 酶的柔性与结合水 132

4.4.2 水活度与酶的活性 133

4.4.3 水活度缓冲体系 134

4.5 添加剂对非水相生物催化反应的影响 135

4.5.1 无机盐类添加剂 135

4.5.2 有机助溶剂 135

4.5.3 多醇类添加剂 136

4.5.4 表面活性剂 136

4.6 非水介质中酶的活化方法 137

4.6.1 有机溶剂中酶的活力为何不如水相中高 138

4.6.2 提高有机相酶催化活力的对策 140

4.7 非水相生物催化的主要特征 141

4.7.1 酶在有机溶剂中的催化活性 142

4.7.2 酶在有机溶剂中的稳定性 142

4.7.3 溶剂对酶选择性的调控作用 142

4.7.4 非水相酶催化的其他特征 144

4.8 非水相生物催化的典型反应 144

4.8.1 酯合成反应 145

4.8.2 酰胺化反应 150

4.8.3 多肽合成反应 151

4.8.4 氧化还原反应 153

参考文献 154

第5章 生物过程优化控制 157

5.1 生化过程控制概述 157

5.2 生化过程状态监测 158

5.2.1 生化过程参数检测方法 158

5.2.2 生物参数在线检测和计算 161

5.3 生化过程最优控制 167

5.3.1 生化过程的基本数学描述模型 167

5.3.2 生化过程常规控制方法 168

5.3.3 动态最优控制方法 169

5.3.4 利用遗传算法的最优控制方法 171

5.4 生化过程的在线自适应（预测）控制 173

5.4.1 基于时间序列模型的自适应控制 173

5.4.2 基于神经网络的自适应控制 177

5.4.3 结合模糊技术的发酵过程控制 178

5.4.4 基于专家系统的发酵过程控制 180

5.5 结语 181

参考文献 181

第6章 代谢工程 184

6.1 代谢工程概述 184

6.2 代谢通量分析技术 185

6.2.1 化学计量模型 185

6.2.2 代谢通量分析 186

6.2.3 代谢通量模型 186

6.2.4 代谢通量分析的应用 187

6.2.5 代谢通量测量技术 187

6.2.6 实例：甘油代谢途径最大理论得率计算 188

6.3 代谢控制分析 191

6.3.1 代谢控制分析的一些概念 191

6.3.2 代谢调控机理 192

6.3.3 通量控制系数的确定方法 192

6.3.4 代谢网络的控制分析 193

6.4 代谢途径优化 195

6.4.1 酶反应动力学 195

6.4.2 幂函数近似法 196

6.4.3 S系统方法 197

6.4.4 综合质量作用系统 197

6.4.5 S系统的灵敏度分析 198

6.4.6 代谢途径的S系统优化方法 200

6.5 葡萄糖发酵生产乙醇的代谢优化 201

6.5.1 葡萄糖产乙醇代谢机理 202

6.5.2 物料平衡方程 203

6.5.3 动力学模型 204

6.5.4 建立GMA方程 206

6.5.5 S系统表示法 207

6.5.6 模型对数增益分析 208

6.5.7 乙醇生产的优化 209

6.6 结语 211

参考文献 212

第7章 细胞破碎和生化分离技术 214

7.1 细胞固液分离 214

7.1.1 细胞回收与液固分离 214

7.1.2 过滤 215

7.1.3 微滤 219

7.1.4 离心 221

7.2 细胞破碎和分离提取技术 226

7.2.1 细胞破碎方法及机理 226

7.2.2 机械法 226

7.2.3 物理法 229

7.2.4 化学法 230

7.2.5 生物法 231

7.2.6 超临界细胞破碎技术 232

7.2.7 胞内产物的选择性释放 232

7.3 从发酵液中直接分离产物 235

7.3.1 双水相分离技术 235

7.3.2 膨胀床吸附技术 235

7.3.3 泡沫分离技术 241

参考文献 244

第8章 生物产品的萃取和富集 246

8.1 生物产品萃取 246

8.1.1 双水相萃取 246

8.1.2 反胶团萃取 251

8.1.3 凝胶萃取 256

8.1.4 固相微萃取 259

8.1.5 超临界萃取 260

8.1.6 超声波和微波萃取 264

8.2 沉淀分离技术 268

8.2.1 沉淀分离技术概述 268

8.2.2 有机溶剂沉淀 268

8.2.3 盐析 269

8.2.4 高聚物沉淀 271

8.2.5 其他沉淀方法 271

8.3 膜分离技术 272

8.3.1 膜分离技术概述 272

8.3.2 超滤膜分离技术 275

8.3.3 纳滤膜分离技术 278

参考文献 281

第9章 色谱分离技术 284

9.1 色谱技术概述 284

9.1.1 色谱基本原理 284

9.1.2 色谱的分类 285

9.1.3 液相色谱的主要检测器 285

9.1.4 生物分离制备液相色谱的类型和特点 285

9.2 色谱理论 286

9.2.1 吸附平衡热力学 287

9.2.2 塔板理论 290

9.2.3 非平衡速率理论 291

主要符号一览表 294

9.3 凝胶色谱 294

9.3.1 凝胶色谱原理 294

9.3.2 凝胶色谱介质 295

9.3.3 凝胶色谱的应用 300

9.4 离子交换色谱 301

9.4.1 离子交换色谱原理 302

9.4.2 离子交换介质 302

9.4.3 离子交换吸附和解吸条件 305

9.4.4 离子交换树脂的再生、操作方式 306

9.4.5 离子交换色谱的应用 306

9.5 正相色谱和反相色谱 307

9.5.1 正相色谱和反相色谱原理 307

9.5.2 正相色谱和反相色谱的介质 308

9.5.3 流动相的选择 309

9.5.4 正相色谱和反相色谱的放大 310

9.5.5 正相色谱和反相色谱的应用 310

9.6 疏水色谱 313

9.6.1 疏水色谱原理 313

9.6.2 疏水色谱介质制备 314

9.6.3 疏水色谱的吸附和解吸条件 314

9.6.4 疏水色谱的应用 315

9.7 共价色谱 318

9.7.1 共价色谱原理 318

9.7.2 共价色谱的介质合成 319

9.7.3 色谱吸附和解吸条件 319

9.7.4 共价色谱的应用 320

参考文献 320

第10章 亲和色谱 323

10.1 概论 323

10.1.1 亲和配基 324

10.1.2 亲和洗脱 326

10.2 亲和色谱分离技术 327

10.2.1 亲和色谱的理论 327

10.2.2 亲和色谱介质的制备 328

10.2.3 常见的亲和色谱 335

参考文献 345

第11章 电泳分离技术 347

11.1 概述 347

11.2 凝胶电泳 349

11.2.1 凝胶电泳的介质 349

11.2.2 凝胶电泳的应用 352

11.3 等电聚焦 355

11.3.1 等电聚焦的基本原理 355

11.3.2 pH值梯度的形成 356

11.3.3 等电聚焦的应用 357

11.3.4 双向电泳 357

11.4 毛细管电泳 358

11.4.1 毛细管电泳原理 358

11.4.2 毛细管电泳的进样技术 359

11.4.3 毛细管电泳的检测器 360

11.4.4 毛细管电泳的应用 360

11.4.5 亲和毛细管电泳 363

11.4.6 毛细管电泳色谱 364

11.5 制备电泳综述 367

11.5.1 制备等电聚焦 367

11.5.2 自由流动电泳 369

11.5.3 梯度流系统 374

11.5.4 多通道流动电泳 376

11.5.5 制备电泳的发展方向 378

主要符号一览表 378

参考文献 378