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 4
1.1.2 生长的测量 6
1.1.2.1 细胞数目的测量 6
1.1.2.2 细胞量的测量 8
1.1.2.3 菌浓的间接测量 9
1.1.2.4 生物量的在线测量 12
1.1.3 环境对生长的影响 15
1.1.3.1 物理环境 15
1.1.3.2 化学环境 18
1.1.4 生长的变量和约束 22
1.1.4.1 细胞的大分子成分 22
1.1.4.2 限制步骤 22
1.1.4.3 生长对能量的需求 23
1.1.4.4 微生物热的释放 23
1.2 细胞周期 24
1.2.1 染色体复制与细胞分裂的调节 24
1.2.3.2 同步培养（synchrony）法 25
1.2.3.1 镜检法 25
1.2.3.3 同位素示踪法 25
1.2.2 染色体复制的启动 25
1.2.3 细胞周期的研究方法 25
1.2.4 生长速率与细胞个子大小的关系 27
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 29
1.3 生长效率 29
1.3.1 得率系数（yield coefficient） 29
1.3.1.1 分子得率系数（molar yield coefficient） 29
1.3.1.2 碳转化效率（carbon conversion efficiency） 29
1.3.1.3 以电子平均数为基准的得率Yavee-（yield per average electron） 30
1.3.1.4 基于热的产生的得率Ykcal（yield based on heat production） 30
1.3.1.5 以氧耗为基准的得率系数（yield in terms of O2 consumed）Yo 31
1.3.1.6 基于ATP消耗的得率（yield based on ATP consumed）YATP 31
1.3.2 测定生长效率时应注意的实际问题 31
1.3.3 基本代谢流——同化与异化 32
1.3.2.4 取样与代谢物的分析 32
1.3.4 对细胞得率的化学计量限制 32
1.3.2.1 分批与恒化培养 32
1.3.2.3 流出液的控制 32
1.3.2.2 培养基组成 32
1.3.5 用于生物量形成的能量需求 33
1.3.6 细胞组分 34
1.3.7 碳源的运输 35
1.3.7.1 糖的运输 35
1.3.7.2 有机酸的运输 36
1.3.8 呼吸效率 36
1.3.9 维持能与环境因素的关系 37
1.3.9.1 渗透压 37
1.3.9.2 水活度 37
1.3.9.3 氧和二氧化碳分压 37
1.3.9.5 pH 39
1.3.9.4 温度 39
1.3.9.6 副产物对生长得率的影响 40
1.4 生长调节 41
1.4.1 菌丝顶端生长 41
1.4.1.1 菌丝顶端生长机制 41
1.4.1.2 泡囊如何在菌丝顶端聚集 41
1.4.1.3 菌丝生长过程 41
1.4.2 菌丝分枝规律 42
1.4.2.1 分枝的形成 42
1.4.2.2 菌丝生长单位 43
1.4.3 微生物生长分化的调节 44
1.4.3.1 极化生长的调节 44
1.4.3.2 菌丝枝启动的调节 44
1.4.3.4 链霉菌生长的调节 45
1.4.3.3 菌丝空间分布的调节 45
1.5 运输过程 46
1.5.1 载体概念 47
1.5.2 溶质运输的机制与能学 47
1.5.3 运输动力学 49
1.5.4 大分子的运输………………………50 思考题 51
参考文献 51
2 微生物的基础代谢 53
2.1 能量代谢原理 53
2.1.1 能量代谢的热力学 54
2.1.1.1 热力学第一定律和热焓 54
2.1.1.2 热力学第二定律和熵 54
2.1.1.3 测定自由能的方法 55
2.1.2.1 能量的产生 56
2.1.2 能量的产生与偶合 56
2.1.2.2 高能化合物 57
2.1.2.3 能量的偶合 58
2.1.2.4 用于细胞的能量转换 59
2.2 微生物的分解代谢 59
2.2.1 葡萄糖分解代谢 60
2.2.1.1 酵解（EMP）途径 60
2.2.1.2 己糖单磷酸支路（HMS） 60
2.2.1.3 恩特纳－多多罗夫（ED）途径 61
2.2.1.4 磷酸解酮酶（PK）途径 61
2.2.1.5 各种葡萄糖分解途径的相互关系 61
2.2.1.6 三羧酸（TCA）循环 61
2.2.1.7 乙醛酸循环 62
2.2.2 多糖和单糖的利用 62
2.2.3.1 乙醇发酵 63
2.2.3 厌氧代谢过程 63
2.2.3.2 丙酮、丁醇、乙酸、丁酸发酵 64
2.2.3.3 乳酸、丁二醇、甲烷发酵 67
2.2.4 脂肪酸，脂烃和芳香烃的氧化 70
2.2.5 氮的循环和氨基酸的降解 70
2.2.5.1 氮的循环 70
2.2.5.2 氨基酸的降解 71
2.2.6 硫的代谢 72
2.2.7 核苷酸的降解和有机磷的代谢 73
2.2.8 聚合物的氧化 73
2.2.8.1 淀粉 73
2.2.8.2 纤维素 74
2.3 微生物的组成代谢 75
2.3.1 C1的同化 75
2.3.2 分子氮的同化 76
2.3.3 硝酸盐的同化 77
2.3.4 氨的同化 78
2.3.5 硫酸盐的同化 78
2.3.6 氨基酸的生物合成 78
2.3.6.1 谷氨酸簇 79
2.3.6.2 天冬氨酸簇 80
2.3.6.3 芳香氨基酸簇 81
2.3.6.4 丝氨酸簇 83
2.3.6.5 丙氨酸簇 83
2.3.6.6 组氨酸的生物合成 84
2.3.6.7 经氨基酸途径的含氮化合物的生物合成 84
2.3.7 核苷酸的生物合成 85
2.3.7.1 核糖核苷酸的生物合成 85
2.3.7.2 脱氧核糖核苷酸的生物合成 86
2.3.7.3 细菌对外源嘌呤和嘧啶碱及其核苷的利用 88
2.3.8 脂质的生物合成 88
2.3.8.1 脂肪酸的合成 88
2.3.8.2 不饱和脂肪酸的生物合成 91
2.3.8.3 磷脂的生物合成 94
2.3.9 聚类异戊二烯化合物的合成 94
2.3.10 甾类化合物 94
2.3.11 糖磷酸酯与糖核苷酸 97
2.3.12 多糖的生物合成 98
思考题 100
参考文献 100
3 代谢调节与代谢工程 102
3.1.2.1 可逆共价修饰 103
3.1.2 共价修饰 103
3.1 酶活性的调节 103
3.1.1 代谢调节的部位 103
3.1.2.2 不可逆共价修饰 104
3.1.3 变构控制 104
3.1.3.1 协同作用 104
3.1.3.2 变构效应的由来 106
3.1.3.3 变构效应的解释 106
3.1.3.4 变构调节的特征 107
3.1.4 其他调节方式 108
3.1.4.1 缔合与解离 108
3.1.4.2 竞争性抑制 108
3.2 酶合成的调节 108
3.2.1 诱导作用 109
3.2.1.1 诱导作用的分子水平的机制 109
3.2.1.3 诱导物的种类与效率 110
3.2.1.2 顺序诱导作用 110
3.2.1.4 诱导调节的克服 111
3.2.1.5 组成型突变株的获得 112
3.2.2 分解代谢物阻遏 112
3.2.2.1 分解代谢物阻遏效应 113
3.2.2.2 分解代谢物阻遏的分子机制 113
3.2.2.3 分解代谢物阻遏作用的克服 114
3.2.2.4 耐分解代谢物阻遏的突变株的获得 115
3.2.2.5 氮分解代谢物的调节 115
3.2.3 反馈调节 116
3.2.3.1 反馈阻遏在分子水平上的作用机制 116
3.2.3.2 反馈调节作用的消除 117
3.2.3.3 分离耐末端代谢产物调节的突变株的方法 118
3.2.4 分支途径的调节方式 120
3.2.4.1 分支途径中末端产物的调节 120
3.2.3.4 反馈抑制 120
3.2.4.2 微生物代谢调节机制的多样性 122
3.2.5 避开微生物固有代谢调节，过量生产代谢产物 123
3.2.5.1 积累末端产物 123
3.2.5.2 细胞膜通透性的改变 124
3.2.5.3 能荷的调节 125
3.2.5.4 无机聚磷酸的代谢与功能 125
3.3 代谢系统的分子控制机制 126
3.3.1 遗传控制 126
3.3.2 DNA结合蛋白：激活剂与阻遏物 127
3.3.3 双组分调节系统 128
3.3.4 RNA水平的调节机制：衰减器模型 128
3.4.1 糖代谢调节 129
3.4.1.1 巴斯德效应或氧效应 129
3.4 代谢调节 129
3.4.1.2 克列勃特里或葡萄糖效应 132
3.4.2 氨基酸合成的调节 133
3.4.3 核苷酸合成的调节 134
3.4.3.1 肌苷 134
3.4.3.2 鸟苷 135
3.5 代谢工程 135
3.5.1 概论 135
3.5.2 代谢流（物流、信息流）的概念 136
3.5.2.1 有关术语 136
3.5.2.2 物流与酶的关系 137
3.5.2.3 物流限制作用的克服 138
3.5.2.4 反馈抑制与限制途径物流的关系 138
3.5.3 代谢物流分析 139
3.5.3.1 物流分布的测量 139
3.5.3.2 代谢物流分析的应用 140
3.5.4 代谢控制分析 143
3.5.4.1 物流控制分析的概念 143
3.5.4.2 节点及其判断 145
3.5.4.3 代谢流的控制 146
3.5.4.4 代谢控制分析在代谢产物合成方面的应用 146
3.5.5 代谢工程的应用 147
3.5.5.1 胞内代谢物的测量 147
3.5.5.2 基质谱的扩展 148
3.5.5.3 降解异型生物质的新代谢途径 149
3.5.6 推定代谢工程与反向代谢工程 150
3.5.7 重要工业微生物表型的进化工程 152
3.6 系统生物学与组学研究概况 152
3.6.1 代谢工程的组学研究 153
思考题 155
3.6.2 导致细菌表型改进的基因组改组 155
参考文献 156
4 微生物次级代谢与调节 159
4.1 引论 159
4.1.1 微生物次级代谢的特征 159
4.1.2 次级代谢产物的类型 160
4.1.2.1 糖类 161
4.1.2.2 多肽类 161
4.1.2.3 聚酯酰类 161
4.1.2.4 核酸碱基类似物类 162
4.1.2.5 其他类型 162
4.1.3 抗生素的生源学 162
4.1.4 初级与次级代谢途径相互连接 162
4.2 次级代谢物生物合成的前体 163
4.2.1 前体的概况 163
4.2.1.1 内源前体的来源 164
4.2.1.2 外源前体的来源 167
4.2.2 前体的作用 169
4.2.2.1 起抗生素建筑材料作用 169
4.2.2.2 诱导抗生素生物合成的作用 169
4.2.2.3 前体与诱导物的区别 169
4.2.2.4 研究前体作用的方法 170
4.2.2.5 新抗生素的定向生物合成 170
4.2.3 前体的限制性 171
4.2.3.1 前体合成的调节机制 171
4.2.3.2 前体导向抗生素的合成 171
4.2.3.3 添加前体的策略 171
4.3.3 次级代谢物结构的后几步修饰 172
4.3.2 前体聚合作用过程 172
4.3.1 把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径 172
4.3 次级代谢物的生物合成原理 172
4.3.4 复合抗生素中不同部分的装配 173
4.3.5 次级代谢物合成酶的专一性 173
4.4 抗生素的生物合成 174
4.4.1 以短链脂肪酸为前体的抗生素 174
4.4.1.1 大环内酯类抗生素 174
4.4.1.2 四环类抗生素 183
4.4.1.3 蒽环类抗生素 187
4.4.2 以氨基酸为前体的抗生素 187
4.4.2.1 青霉素簇抗生素 188
4.4.2.2 头孢菌素簇抗生素 191
4.4.2.3 其他β-内酰胺类抗生素 193
4.4.2.4 肽类抗生素的生物合成 195
4.4.3 已经修饰的糖为前体的抗生素 196
4.4.3.1 链霉素的生物合成 198
4.4.3.2 氨基糖苷类抗生素的调节 199
4.4.3.3 次要组分的调控 200
4.4.3.4 调节因子 200
4.4.3.5 突变生物合成 202
4.5 微生物次级代谢作用的调控 202
4.5.1 微生物的次级代谢与其生命活动的关系 202
4.5.1.1 次级代谢在微生物中所起的作用 202
4.5.1.2 次级代谢与生长，分化的关系 203
4.5.2 次级代谢产物生物合成的调节与控制 204
4.5.2.1 参与抗生素合成作用的酶的诱导及解除阻遏 204
4.5.2.2 抗生素生物合成启动的控制 204
4.5.2.3 碳源分解代谢物的调节 206
4.5.2.4 氮源分解代谢物的调节 207
4.5.2.5 磷酸盐的调节作用 208
4.5.2.6 分解代谢产物对次级代谢控制的作用部位 210
4.5.2.7 分解代谢产物对次级代谢产物合成的胞内调控因子 211
4.5.2.8 抗生素生物合成的终止 212
4.5.2.9 人工克服微生物次级代谢调控作用的限制 213
4.5.2.10 定向抗生素生物合成 213
4.5.3 基因工程在提高生产性能上的应用 213
4.5.3.1 强化表达网络调控机构的正向调节 213
4.5.3.2 改变表达体系 214
4.5.3.3 扩增抗生素产生菌的抗性基因 214
4.5.3.4 提高编码关键酶的基因剂量 214
4.5.3.5 提高转译水平的表达效率 216
4.5.3.6 增强重组菌的生长能力 216
4.5.3.7 调节性启动子 216
4.5.3.8 提高菌在限氧下的生长与生产能力 217
参考文献 218
思考题 218
5.1 发酵过程技术原理 221
5.1.1 分批发酵 221
5.1.1.1 分批发酵的基础理论 221
5 发酵过程控制与优化 221
5.1.1.2 重要的生长参数 223
5.1.1.3 分批发酵的优缺点 224
5.1.2 补料－分批发酵 225
5.1.2.1 理论基础 225
5.1.2.2 分批补料的优化 225
5.1.3 半连续发酵 226
5.1.4 连续发酵 227
5.1.4.1 单级连续发酵的理论基础 227
5.1.4.2 多级连续培养 228
5.1.4.4 连续培养中存在的问题 229
5.1.4.3 连续培养在工业生产中的应用 229
5.1.5 与产物回收结合的培养 231
5.1.5.1 膜分离与发酵偶合 232
5.1.5.2 溶剂萃取与发酵偶合 236
5.1.5.3 膜固定化细胞反应器的原理和应用 236
5.1.5.4 挥发性产物的回收与发酵偶合 237
5.1.5.5 吸附发酵 237
5.1.6 高细胞密度培养 237
5.1.6.1 研究应用概况 237
5.1.6.2 达到高细胞密度的手段 238
5.1.6.3 存在问题 239
5.1.6.4 进展与前景 239
5.1.7 混合或共培养系统 239
5.1.8 固态发酵 239
5.2 发酵条件的影响及其控制 240
5.2.1.1 养分的需求 241
5.2.1 培养基对发酵的影响 241
5.2.1.2 生长能量学对产物形成的影响 242
5.2.1.3 碳和能量限制 243
5.2.1.4 氮或硫限制对产物合成的影响 245
5.2.1.5 钾限制对产物形成的影响 245
5.2.1.6 磷、镁或铁限制对产物形成的影响 246
5.2.1.7 基质浓度对发酵的影响及其控制 247
5.2.1.8 培养基的优化 247
5.2.3.1 接种菌龄 250
5.2.3.2 接种量 250
5.2.4 温度对发酵的影响 250
5.2.3 种子质量 250
5.2.2 灭菌情况 250
5.2.4.1 温度对产物合成的影响 251
5.2.4.2 最适温度的选择 251
5.2.5 pH的影响 251
5.2.5.1 发酵过程中pH变化的规律 251
5.2.5.2 培养基pH对初级代谢产物合成的影响 252
5.2.5.3 最适pH的选择 252
5.2.5.4 pH的监控 253
5.2.6 氧的供需对发酵的影响及其控制 254
5.2.6.1 临界氧 254
5.2.6.2 溶氧作为发酵异常的指示 255
5.2.6.3 溶氧的控制 256
5.2.6.4 溶氧参数在过程控制方面的应用 259
5.2.6.5 通过溶氧的控制提高产物合成的事例 260
5.2.7.1 CO2对发酵的影响 262
5.2.7 二氧化碳和呼吸商 262
5.2.7.2 呼吸商与发酵的关系 263
5.2.8 加糖，补料对发酵的影响及其控制 264
5.2.8.1 补料的策略 264
5.2.8.2 补料的判断和依据 266
5.2.8.3 补料的优化 267
5.2.9 比生长速率的影响与控制 269
5.2.9.1 程序控制器／反馈补偿器系统 269
5.2.9.2 谷胱甘肽 270
5.2.9.3 酿酒酵母 270
5.2.9.4 对α-淀粉酶的影响 270
5.2.10 混合效果 271
5.2.10.1 斜6平叶涡轮式搅拌器及不同进料方式 271
5.2.10.2 栅桨式搅拌器 271
5.2.11.3 磁场 272
5.2.11.4 电流 272
5.2.11.1 超声波 272
5.2.11.2 微波 272
5.2.11 超声波、微波、磁场、电流对发酵的影响 272
5.2.12 氧化还原电位对发酵的影响 273
5.2.13 菌丝生长形式对发酵的影响 273
5.2.14 发酵过程参数的相关分析 274
5.2.15 发酵规模的缩小与放大 274
5.3 泡沫对发酵的影响及其控制 275
5.3.1 泡沫的产生及其影响 275
5.3.2 发酵过程中泡沫的消长规律 275
5.3.3 泡沫的控制 276
5.3.3.1 机械消沫 276
5.3.3.2 消泡剂消沫 276
5.4.1 发酵终点的判断 277
5.3.3.3 消沫剂的应用 277
5.4 发酵终点的判断与自溶的监测 277
5.4.2 补料分批培养中生产经济上的优化 278
5.4.3 自溶的监测 278
5.4.4 影响自溶的因素 279
5.5 发酵染菌的防治及处理 279
5.5.1 染菌的途径分析 279
5.5.2 染菌的判断和防治 280
5.5.3 生产技术管理对染菌防止的重要性 281
5.6 基因工程菌培养与表达 281
5.6.1 源自克隆基因的蛋白 281
5.6.1.1 人血清白蛋白基因的合成及其表达 282
5.6.1.2 胰岛素 282
5.6.1.3 生长激素 282
5.6.1.6 白细胞介素 283
5.6.1.4 促红细胞生成素 283
5.6.1.5 人β2-糖蛋白 283
5.6.1.7 GFP-融合监测法在在线优化中的应用 284
5.6.2 干扰素 285
5.6.2.1 高密度细胞培养的策略 285
5.6.2.2 重组菌的高密度培养和α干扰素的表达 285
5.6.2.3 酿酒酵母的高密度培养及人免疫干扰素的表达 285
5.6.3 氨基酸 286
5.6.3.1 基因技术在氨基酸生产方面的应用成果 286
5.6.3.2 利用重组大肠杆菌生产色氨酸 286
5.6.4 肌苷酸和鸟苷酸 288
5.6.5 微生物多糖 288
参考文献 289
思考题 289
5.6.6 植酸酶 289
6 发酵过程参数检测与计算机监控 293
6.1 发酵过程参数监测的研究概况 293
6.1.1 设定参数 293
6.1.2 状态参数 293
6.1.3 间接参数 294
6.1.4 发酵样品的离线分析 295
6.2 生物过程控制的特征 296
6.2.1 对生物过程控制规范化的要求 296
6.2.2 在线发酵仪器的研究进展 297
6.2.3 计算机在发酵监控方面的应用 299
6.3 用于控制的生物过程建模 299
6.3.1 传统过程模型 300
6.3.3 非线性“黑箱”模型 301
6.3.2 线性黑箱模型 301
6.3.4 生产过程建模 302
6.4 发酵过程估算技术 303
6.4.1 传统的基于模型的估算 303
6.4.2 基于线性黑箱模型的估算 304
6.4.3 基于非线性黑箱模型的估算 304
6.5 发酵过程的控制策略 305
6.5.1 发酵过程的PID控制 305
6.5.2 发酵过程的推理控制 305
6.5.3 发酵过程的适应性（预估）控制 306
6.5.4 发酵过程的非线性控制 306
6.5.5 发酵的优化和优化控制 307
6.5.6 用于发酵监督与控制的知识库系统 307
6.6 用于发酵诊断和控制的数据分析 308
6.5.7 工业规模的发酵故障分析系统 308
6.6.1 发酵测量与估算变量分类 309
6.6.1.1 生物过程的输入－输出表示法 309
6.6.1.2 计算关联 311
6.6.1.3 动态过程代谢状态的在线化学计量与鉴别 312
6.6.2 代谢速率（生理变量，PVs）的计算 313
6.6.2.1 普通平衡方程 313
6.6.2.2 消耗（吸收）速率 313
6.6.2.3 生产速率 316
6.6.3 不能直接测量的生物过程参数的估算 317
6.6.3.1 概念和实例介绍 317
6.6.3.2 估算方法 318
6.6.3.3 用监察器进行状态估算 324
6.6.4.1 积分变量 327
6.6.4 积分与平均数量的计算 327
6.6.3.4 不同技术的评估 327
6.6.4.2 平均变量 328
6.6.5 生理状态变量（PSVs）的计算 328
6.6.5.1 生理状态变量的分类 328
6.6.5.2 生理状态细胞水平级的监测方法 330
6.6.5.3 生理状态控制结构 331
6.6.5.4 利用转录曲线与代谢物曲线指导发酵生产过程 332
6.7 基于模式识别技术的新方法 335
6.7.1 模式识别的好处 335
6.7.2 模式识别方法与数据分析 336
6.7.3 用于监控的时序的量变曲线分析（具体例子） 338
6.8 结论 342
思考题 342
参考文献 342