新编生物工艺学 上PDF电子书下载

1绪论 1

1.1生物技术的定义和性质 1

1.2生物技术的发展及应用概况 2

1.2.1经验生物技术时期（从人类出现到19世纪中期） 2

1.2.2近代生物技术建立时期（19世纪50年代20世纪40年代） 3

1.2.3近代生物技术的全盛时期（20世纪40年代初到20世纪70年代末） 5

1.2.4现代生物技术建立和发展时期 11

（从20世纪70年代末开始） 11

1.3生物技术的发展趋势 17

生物反应过程原理篇 30

2菌种选育 30

2.1菌种的来源 30

2.1.1生物物质产生菌的筛选 30

2.1.1.1微生物——生物产物的来源 30

2.1.1.2待筛选样品的性质 30

2.1.1.3筛选方案的设计 30

2.1.2微生物选择性分离的原理和发展 30

2.1.2.1含微生物材料的选择 30

2.1.2.2材料的预处理 31

2.1.2.3所需菌种的分离 32

2.1.2.4菌种的培养 33

2.1.2.5菌落的选择 33

2.1.3重要工业微生物的分离 33

2.1.3.1施加选择压力（selectivepressure）的分离方法 34

2.1.3.2随机分离方法 35

2.2菌种选育 36

2.2.1自然选育 36

2.2.2诱变育种 37

2.2.2.1诱变育种的基本原理 37

2.2.2.2诱变育种的一般步骤 38

2.2.2.3诱变育种工作中几个应注意的问题 39

2.2.2.4介绍几种物理、化学诱变剂的使用方法 40

2.2.3抗噬菌体菌株的选育 41

2.2.3.1噬菌体的分布 41

2.2.3.2抗噬菌体菌株的选育 41

2.2.3.3噬菌体的防治 42

2.2.4杂交育种 43

2.2.4.1细菌的杂交 43

2.2.4.2放线菌的杂交育种 44

2.2.4.3霉菌的杂交育种 46

2.2.5原生质体融合技术 48

2.2.5.1原生质体融合的优越性 48

2.2.5.2原生质体融合的一般步骤 48

2.2.5.3原生质体融合技术在微生物育种中的应用 49

2.2.6DNA重组技术 49

2.2.6.1DNA重组技术的基本过程 50

2.2.6.2工程菌的稳定性问题 56

2.2.7菌种保藏 58

2.2.7.1菌种保藏的重要意义 58

2.2.7.2菌种保藏的原理和方法 58

2.2.7.3国内外主要菌种保藏机构介绍 60

3微生物代谢调节 62

3.1基本代谢的调节 62

3.1.1酶活性的调节 62

3.1.1.1代谢调节的部位 62

3.1.1.2共价修饰 63

.3.1.1.3变（别）构控制 63

3.1.1.4其他调节方式 65

3.1.2酶合成的调节 65

3.1.2.1诱导作用 65

3.1.2.2分解代谢物阻遏 65

3.1.2.3反馈调节 66

3.1.2.4协调控制 68

3.1.3代谢系统的分子控制机制 69

3.1.3.1遗传控制 69

3.1.3.2DNA结合蛋白：激活剂与阻遏物 70

3.1.3.3二元调节系统 71

3.1.3.4RNA水平的调节机制：衰减器模型 71

3.2微生物次级代谢 72

3.2.1微生物次级代谢的特性 72

3.2.2次级代谢物的生物合成 73

3.2.2.1前体的概况和来源 73

3.2.2.2前体的作用 75

3.2.2.3前体的限制性 77

3.2.2.4把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径 78

3.2.2.5前体聚合作用过程 78

3.2.2.6次级代谢物结构的后几步修饰 79

3.2.2.7复合抗生素中不同部分的装配 79

3.2.2.8次级代谢物合成酶的专一性 80

3.2.3抗生素的生物合成 80

3.2.3.1短链脂肪酸为前体的抗生素 80

3.2.3.2以氨基酸为前体的抗生素 86

3.2.3.3以经修饰的糖为前体的抗生素 90

3.3代谢工程 93

3.3.1代谢通量（物流、信息流）的概念 94

3.3.2代谢工程的应用 94

3.3.3代谢（物）流分析 94

3.3.4代谢控制分析 95

4微生物培养基 99

4.1培养基的类型及功能 99

4.1.1按纯度分类 99

4.1.2按状态分类 100

4.1.3按用途分类 100

4.1.3.1孢子培养基 100

4.1.3.2种子培养基 100

4.1.3.3发酵培养基 100

4.2发酵培养基的成分及来源 101

4.2.1碳源 101

4.2.1.1糖类 101

4.2.1.2油和脂肪 102

4.2.1.3有机酸 102

4.2.1.4烃和醇类 102

4.2.2氮源 102

4.2.2.1有机氮源 102

4.2.2.2无机氮源 104

4.2.3无机盐及微量元素 104

4.2.4水 106

4.2.5生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂 106

4.2.5.1生长因子 106

4.2.5.2体 107

4.2.5.3抑制剂和产物促进剂 107

4.3培养基的设计及优化 108

4.3.1培养基成分选择的原则 108

4.3.1.1菌体的同化能力 108

4.3.1.2代谢的阻遏和诱导 109

4.3.1.3合适的C、N比 110

4.3.1.4pH的要求 111

4.3.2培养基的优化 111

4.3.2.1理论转化率的计算 111

4.3.2.2实验设计 112

4.3.3培养基设计时注意的一些相关问题 118

4.3.3.1原料及设备的预处理 118

4.3.3.2原材料的质量 118

4.3.3.3发酵特性的影响 119

4.3.3.4灭菌 119

5灭菌 120

5.1灭菌的方法 120

5.1.1化学灭菌 120

5.1.2射线灭菌 120

5.1.3干热灭菌 120

5.1.4湿热灭菌 120

5.1.5过滤除菌 121

5.2培养基的湿热灭菌 121

5.2.1微生物的死亡速率与理论灭菌时间 121

5.2.2培养基的分批灭菌 122

5.2.3培养基的连续灭菌 126

5.3空气的除菌 132

5.3.1发酵用无菌空气的质量标准 132

5.3.2空气预处理 132

5.3.3空气的过滤除菌 137

5.4无菌检测及发酵废气废物的安全处理 141

5.4.1无菌检测 141

5.4.2发酵废气废物的安全处理 142

6种子扩大培养 144

6.1种子制备工艺 144

6.1.1实验室种子制备 144

6.1.2生产车间种子制备 145

6.1.3影响种子质量的因素 147

6.2种子质量的控制措施 148

7发酵工艺控制 150

7.1引言 150

7.2发酵过程技术原理 150

7.2.1分批发酵 150

7.2.1.1分批发酵的基础理论 150

7.2.1.2重要的生长参数 152

7.2.1.3分批发酵的优缺点 153

7.2.2补料（流加）－分批发酵 154

7.2.2.1补料－分批发酵理论基础 154

7.2.2.2分批补料的优化 154

7.2.3半连续发酵 155

7.2.4连续发酵 156

7.2.4.1单级连续发酵的理论基础 156

7.2.4.2多级连续培养 157

7.2.4.3连续培养在工业生产中的应用 157

7.2.4.4连续培养中存在的问题 158

7.3发酵条件的影响及其控制 159

7.3.1基质浓度对发酵的影响及其控制 160

7.3.2灭菌情况 161

7.3.3种子质量 161

7.3.3.1接种菌龄 161

7.3.3.2接种量 161

7.3.4温度对发酵的影响 161

7.3.4.1温度对微生物生长的影响 161

7.3.4.2温度对发酵的影响 163

7.3.4.3最适温度的选择 164

7.3.5pH的影响 165

7.3.5.1发酵过程中pH变化的规律 165

7.3.5.2最适pH的选择 165

7.3.5.3pH的监控 165

7.3.6溶氧的影响 166

7.3.6.1临界氧 167

7.3.6.2溶氧作为发酵异常的指示 168

7.3.6.3溶氧参数在过程控制方面的应用 168

7.3.6.4溶氧的控制 169

7.3.7二氧化碳和呼吸商 171

7.3.7.1CO2对发酵的影响 171

7.3.7.2呼吸商与发酵的关系 172

7.3.8加糖、补料对发酵的影响及其控制 173

7.3.8.1补料的策略 173

7.3.8.2补料的依据和判断 174

7.3.9比生长速率的作用与控制 176

7.4泡沫对发酵的影响及其控制 178

7.4.1泡沫的产生及其影响 178

7.4.2发酵过程中泡沫的消长规律 178

7.4.3泡沫的控制 178

7.4.3.1机械消沫 179

7.4.3.2消泡剂消沫 179

7.4.3.3消沫剂的应用 179

7.5发酵终点的判断 180

7.6发酵染菌的防治及处理 181

7.6.1染菌的途径分析 181

7.6.2染菌的判断和防治 181

7.6.3生产技术管理对染菌防治的重要性 183

7.7发酵过程参数监测的研究概况 183

7.7.1设定参数 184

7.7.2状态参数 184

7.7.3间接参数 185

7.7.4离线发酵分析 186

7.7.5在线发酵仪器的研究进展 186

7.7.6计算机在发酵过程监控方面的应用 188

8生物反应动力学及过程分析 191

8.1酶反应 191

8.1.1单底物酶触反应 191

8.1.2底物抑制 193

8.1.3抑制剂的影响 193

8.1.3.1竞争性抑制 193

8.1.3.2非竞争性抑制 194

8.1.3.3反竞争性抑制 194

8.1.3.4可逆反应 195

8.1.3.5双底物反应 195

8.1.3.6酶的稳定性 196

8.2培养过程的物料平衡 197

8.2.1得率系数和比速率 197

8.2.1.1得率系数 197

8.2.1.2比速率 198

8.2.2培养过程的化学计量关系 199

8.3分批培养 200

8.3.1分批培养中细胞的生长 201

8.3.2分批培养中的基质消耗 204

8.3.3产物的生成 205

8.4连续培养 205

8.4.1单级连续培养 206

8.4.2多级连续培养 208

8.4.3细胞循环利用 209

8.4.4连续培养的应用 210

8.5补料分批培养 216

8.5.1补料分批培养 216

8.5.1.1恒速流加 216

8.5.1.2指数流加 219

8.5.2反复补料分批培养 219

8.6培养与分离的耦合 220

8.6.1透析 221

8.6.1.1连续培养－连续透析 221

8.6.1.2分批培养－分批透析 223

8.6.1.3分批培养－连续透析 223

8.6.2过滤和培养耦合 224

8.7基因工程菌培养 224

8.7.1脱落性不稳定对发酵的影响 225

8.7.2基因工程菌发酵实例 228

8.7.2.1干扰素发酵 228

8.7.2.2中性蛋白酶发酵 230

9酶催化反应 233

9.1酶催化反应 233

9.1.1酶和细胞的固定化方法 233

9.1.1.1吸附法 233

9.1.1.2包埋法 234

9.1.1.3交联法 236

9.1.1.4化学共价法 237

9.1.2酶催化反应的应用实例 237

9.1.2.1酶催化在工业及医药上的应用 237

9.1.2.2酶催化研究的新动态 241

9.2微生物转化 243

9.2.1微生物转化一般过程 244

9.2.2培养系统类型 244

9.2.3底物加入 246

9.2.4微生物转化的类型 246

9.2.5微生物转化的应用 247

9.3非水相酶催化 251

9.3.1非水相酶催化的特性及光学纯化合物对有机相酶反应的挑战 252

9.3.2非水相酶催化中的一些基本原理 253

9.3.3非水相酶催化反应的应用 255

9.3.3.1有机相酶促酯化或转酯化反应用于酯的合成和醇、酸、酯的拆分 255

9.3.3.2有机溶剂中肽的合成及其应用 258

10动物细胞培养 264

10.1细胞培养物的特性 264

10.1.1细胞的贴壁依赖性生长 265

10.1.2细胞培养物 265

10.1.2.1原代培养物 265

10.1.2.2常细胞 265

10.1.2.3转化细胞 266

10.1.2.4肿瘤细胞 266

10.1.3细胞的生长和死亡 266

10.2培养基 267

10.2.1培养基的物理性质 267

10.2.1.1pH 267

10.2.1.2缓冲 267

10.2.1.3渗透压 268

10.2.1.4温度 268

10.2.1.5黏度 268

10.2.1.6表面张力和泡沫 268

10.2.2细胞培养基的基本组成 268

10.2.2.1水 268

10.2.2.2低相对分子质量营养物 268

10.2.2.3非营养性物质 269

10.2.3血清 269

10.2.4无血清和无蛋白培养基 270

10.2.4.1无血清培养基 270

10.2.4.2无血清培养基的常用添加成分 270

10.2.5营养物的代谢 271

10.2.5.1葡萄糖的代谢 271

10.2.5.2谷氨酰胺的代谢 272

10.2.5.3其他氨基酸的代谢 272

10.2.5.4代谢流分析 273

10.3细胞培养的基本方法 274

10.3.1动物细胞培养基本工艺 274

10.3.2维持培养和放大培养 275

10.3.2.1培养容器 275

10.3.2.2微载体 275

10.3.2.3贴壁培养 276

10.3.2.4悬浮培养 276

10.3.3细胞计数 276

10.3.4细胞保存 277

10.4细胞培养用生物反应器 277

10.4.1动物细胞培养用生物反应器的型式 277

10.4.1.1气升式生物反应器 277

10.4.1.2通气搅拌生物反应器 278

10.4.1.3中空纤维管生物反应器 278

10.4.1.4无泡搅拌反应器 279

10.4.1.5流化床和填充床反应器 279

10.4.2细胞培养生物反应器的控制系统 279

10.4.3生物反应器中的细胞培养模式 280

10.4.3.1分批培养 280

10.4.3.2流加培养 281

10.4.3.3半连续培养 281

10.4.3.4连续培养 281

10.4.3.5灌注培养 281

10.5组织工程 282

10.5.1体外重建人体组织的培养 282

10.5.1.1培养方式 282

10.5.1.2细胞分化 283

10.5.1.3细胞特性的检测 283

10.5.2组织工程的研究进展 283

10.5.2.1人工皮肤 283

10.5.2.2造血组织 283

10.5.2.3人工肝脏 284

10.5.2.4胰组织 284

10.5.2.5软骨组织 284

10.6实例：杂交瘤细胞培养工艺 284

10.6.1细胞株 284

10.6.2培养基制备 284

10.6.3细胞的冻存和复苏 285

10.6.3.1冻存 285

10.6.3.2复苏 285

10.6.4方瓶和转瓶分批培养 285

10.6.5生物反应器流加培养 285

10.6.5.1反应器准备 285

10.6.5.2细胞培养 286

10.6.6生物反应器灌注培养 287

10.6.6.1反应器准备 287

10.6.6.2细胞培养 287

11植物细胞培养 289

11.1植物细胞培养发展史 289

11.2植物细胞培养特性与基本培养技术 289

11.2.1植物细胞培养特性 289

11.2.2基本培养技术 290

11.3快速繁殖 290

11.4植物细胞遗传、生理、生化和病毒方面的研究 291

11.5有用代谢物的生产 291

11.5.1为何要用细胞培养技术 291

11.5.2品研究开发现状 292

11.5.3育种 294

11.5.4影响因子 294

11.5.4.1培养基 294

11.5.4.2碳源 295

11.5.4.3氮源 296

11.5.4.4磷源 296

11.5.4.5激素及其类似物 296

11.5.4.6金属离子 297

11.5.4.7前体 297

11.5.4.8诱导子 298

11.5.4.9光 298

11.5.4.10温度 300

11.5.4.11pH 300

11.5.4.12氧 300

11.5.4.13分化与形质 300

11.5.4.14细胞龄 301

11.6大量培养技术 301

11.6.1生物反应器的选型、设计与开发 301

11.6.2反应器操作条件 302

11.6.2.1光照 303

11.6.2.2剪切力 303

11.6.2.3氧供应 303

11.6.2.4气体成分 304

11.6.2.5培养液黏度 304

11.6.3过程开发与反应器操作策略 304

11.6.3.1连续培养 305

11.6.3.2两段培养 305

11.6.3.3细胞固定化 305

11.6.3.4两相培养与过程耦合 305

11.6.3.5高密度培养 306

11.6.3.6过程检测、模型与控制 306

11.7小结和展望 306

12微藻培养技术 312

12.1微藻的生物学特点 312

12.1.1微藻定义及分类 312

12.1.1.1蓝藻门 313

12.1.1.2绿藻门 313

12.1.1.3金藻门 313

12.1.1.4红藻门 313

12.1.2微藻的应用价值 313

12.1.2.1医药来源 314

12.1.2.2保健食品 314

12.1.2.3饵料 314

12.1.2.4基因工程产品 314

12.1.2.5其他应用 315

12.1.3微藻的国内外应用现状及存在的问题 315

12.2微藻培养用生物反应器 315

12.2.1微藻光自养培养用光生物反应器 315

12.2.2微藻大规模自养培养特点分析 316

12.2.3敞开式和封闭式光生物反应器特点及国内外研究概况 316

12.2.3.1敞开式反应器 316

12.2.3.2封闭式光生物反应器 317

12.2.4微藻大规模异养培养用生物反应器 319

12.3微藻光自养培养 319

12.3.1微藻光自养生长的影响因子 319

12.3.1.1光照 319

12.3.1.2温度 319

12.3.1.3培养液pH 320

12.3.1.4营养盐 320

12.3.1.5溶解氧 321

12.3.2微藻光自养生长动力学 321

12.3.2.1细胞浓度增长模型 321

12.3.2.2基质限制模型 321

12.3.3微藻光自养培养技术 321

12.3.3.1藻种 322

12.3.3.2培养基 322

12.3.3.3培养系统 322

12.3.3.4生长条件控制 323

12.3.3.5收获 323

12.3.3.6干燥 323

12.3.4经济型微藻的光自养大规模培养 323

12.3.4.1螺旋藻 323

12.3.4.2小球藻 325

12.3.4.3杜氏藻 325

12.3.4.4饵料微藻的生产 326

12.3.5微藻光自养大规模培养过程的综合优化 327

12.4微藻异养培养 328

12.4.1可进行异养／兼养培养的微藻种类 329

12.4.2微藻异养代谢 330

12.4.2.1有机物的吸收 330

12.4.2.2有机物的代谢 331

12.4.3微藻高密度异养培养技术 332

12.4.3.1可异养的微藻种的甄别与选育 332

12.4.3.2异养培养用培养基 333

12.4.3.3异养培养系统及其优化 333

12.4.3.4微藻组分或目的产物合成的调控 334

12.4.4异养培养实例——饵料微藻的异养培养 334

12.5展望 335

12.5.1海洋生化工程在微藻培养中的应用 335

12.5.2我国微藻大规模培养技术的发展方向 335