目录 1
1 微生物发酵过程优化技术回顾与发展 1
1.1 发酵工程技术的历史发展及其意义 1
1.2 发酵工程中涉及的主要技术问题及其研究的局限性 2
1.2.1 主要技术问题 2
1.2.2 计算机控制与传感器技术在发酵工程中的应用 2
1.2.3 经典控制与现代控制理论应用 3
1.2.4 生化工程技术进展 5
1.2.4.1 微生物生长和反应过程研究 5
1.2.4.2 发酵过程的化学计量学和热力学研究 6
1.2.4.3 微生物反应动力学与生物反应工程 7
1.2.4.4 微生物过程优化原理研究 8
1.2.4.5 系统优化 8
1.2.4.6 初步结论 9
1.2.5 过程放大技术的局限性 9
1.2.6 代谢工程研究 12
1.3 发酵过程多尺度问题的提出 13
参考文献 15
2 微生物过程的多尺度研究理论与方法 20
2.1 生物反应器中的多尺度问题与工程学观点 20
2.1.1 例1：青霉素发酵技术进展 22
2.1.2 例2：发酵过程的碳源选择 23
2.1.4 例4：代谢过程的变构效应 24
2.1.3 例3：温度诱导基因工程菌生长与表达时的体系结构性突变 24
2.1.5 例5：代谢网络中代谢流分配的结构性变化 25
2.1.6 例6：微生物细胞对外界环境变化的调节机制 26
2.2 细胞代谢流分布变化的现象特征 27
2.3 细胞代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性 28
2.4 数据驱动型的方法 29
2.5 以细胞代谢流分析与控制为核心的多尺度研究方法 31
参考文献 32
3 用于微生物过程多尺度研究的装置技术 34
3.1 概述 34
3.2.1 概况 35
3.2.2 检测参数的选择与传感器的配置 35
3.2 参数检测与二次仪表 35
3.2.3 尾气分析质谱仪 38
3.2.3.1 概述 38
3.2.3.2 尾气的预处理 38
3.2.3.3 多通道采样系统（RMS M3） 39
3.2.3.4 检测部分 39
3.2.3.5 自动控制与数据采集 40
3.2.3.6 尾气测定数据的标定 40
3.2.4 活菌浓度传感技术 41
3.2.4.1 概述 41
3.2.4.2 活细胞的双电极测量原理 42
3.2.4.3 测量装置 43
3.2.4.4 应用 44
3.2.5 间接参数的选择与计算 45
3.2.6 实验室离线参数 47
3.2.6.1 概述 47
3.2.6.2 培养液成分分析 47
3.2.6.3 细胞特性与胞内组分分析 48
3.3 计算机数据采集与过程控制系统配置 56
3.3.1 发展概述 56
3.3.2 数据采集系统中有关“时间响应”问题的研究 58
3.3.2.1 生物过程的“实时性” 58
3.3.2.2 生物系统动力学的时间响应 59
3.3.3.1 嵌入式系统介绍 60
3.3.3 嵌入式系统在生物反应过程数据采集和控制中的应用 60
3.3.2.3 连续信号和非连续分析的频率 60
3.3.3.2 嵌入式微控制器系统在生物反应过程数据采集和控制中的应用 61
3.3.3.3 PLC在生物反应过程数据采集和控制中的应用 62
3.3.4 现场总线在发酵控制中的应用 65
3.3.4.1 系统原理 66
3.3.4.2 系统软件 66
3.3.4.3 系统评价 66
3.3.5 工业控制计算机 67
3.3.5.1 概念 67
3.3.5.2 基本结构功能 67
3.3.5.3 工业控制计算机控制软件 67
3.3.6 试验与生产规模数据采集系统研制 68
3.3.5.4 应用实例 68
3.3.7 集散控制系统 69
3.3.8 计算机控制的网络化与远程化 69
3.3.9 智能传感器 71
3.4 数据分析应用软件设计 71
3.4.1 数据采集系统软件设计基本要素 72
3.4.2 部件化体系 72
3.4.2.1 基于函数库的上位机软件设计 73
3.4.2.2 传统的面向对象的上位机软件设计 73
3.4.2.3 部件化上位机软件设计体系 73
3.4.3 多线程技术 74
3.4.3.2 多线程技术的上位机软件 75
3.4.3.1 多线程技术的优越性 75
3.4.3.3 主线程 76
3.4.3.4 采样线程 76
3.4.3.5 过程分析与控制线程 76
3.4.3.6 报警线程 77
3.4.3.7 储存线程 77
3.5 实验室整机装置与操作 77
3.5.1 热质量流量计和控制 77
3.5.2 罐压测量 78
3.5.3 补料测量与控制系统 79
3.5.4 搅拌电机选型和转速测量控制系统设计 79
3.5.5 发酵液全罐称量技术研究及选型 80
3.5.6 排气氧和二氧化碳测定 80
参考文献 81
3.5.7 计算机硬件与软件设计 81
4 发酵过程参数相关分析原理 85
4.1 概述 85
4.1.1 人机界面与多参数趋势曲线 85
4.1.2 参数相关基本特性 86
4.2 发酵过程的理化相关 86
4.2.1 传热与酸碱反应 86
4.2.2 搅拌功率（转速）引起的DO变化 86
4.2.3 通气流量变化所引起的物理过程 86
4.2.4 罐压测量变化与DO值 87
4.2.6 测量技术的操作条件 88
4.2.5 加入消泡剂所引起的物理过程参数变化 88
4.3 发酵过程的生物相关 89
4.3.1 菌体生长导致发酵液物性变化及其参数变化相关分析 89
4.3.1.1 菌体生长与KLa、DO的相关特性 89
4.3.1.2 菌体生长与培养液的流变特性 91
4.3.1.3 泡沫与KLa的关系 91
4.3.1.4 流变特性的结构性突变 92
4.3.1.5 搅拌与DO组成的控制回路特性 92
4.3.2 代谢特性及其参数相关 93
4.3.2.1 发酵过程OUR与DO的基本相关特征 93
4.3.2.2 OUR、CER与RQ的相关特征 95
4.3.2.3 发酵过程中补糖引起的参数相关 96
4.3.2.4 发酵过程中的pH变化与参数相关 100
4.3.2.5 补油的作用与参数相关分析 101
4.3.2.6 菌体生长与参数相关分析 104
4.3.2.7 多基质利用与参数相关 105
4.4 基于参数相关的工艺操作分析 107
参考文献 109
5 基于多尺度观点的过程优化基础 110
5.1 概述 110
5.2 操作变量 110
5.3 状态变量 112
5.3.1 概述 112
5.3.2.1 各种生理变量的计算关系 113
5.3.2 状态变量的测定与估计 113
5.3.2.2 代谢速率（生理变量，PVs）的计算 114
5.3.2.3 积分与平均数量的计算 119
5.3.2.4 生理状态变量（PSVs）的计算 120
5.3.2.5 生物过程参数的状态估计 123
5.4 微生物代谢体系 134
5.4.1 概述 134
5.4.2 分解代谢途径 134
5.4.3 恩特纳-多多罗夫（ED）途径和磷酸解酮酶（PK）途径 136
5.4.4 各种葡萄糖分解途径的相互关系 136
5.4.5 次级代谢产物 137
5.4.5.1 微生物次级代谢的特征 137
5.4.5.2 初级与次级代谢途径相互关系 137
5.4.6.1 代谢流 138
5.4.6 代谢过程的控制与代谢工程 138
5.4.6.2 代谢控制机制 139
5.4.6.3 分解代谢物阻遏 139
5.4.6.4 碳源分解代谢物的调节 141
5.4.6.5 氮源分解代谢物的调节 142
5.4.6.6 磷酸盐的调节作用 143
5.4.6.7 分解代谢产物对次级代谢控制的作用部位 146
5.4.6.8 分解代谢产物对次级代谢产物合成的胞内调控因子 146
5.4.6.9 抗生素生物合成启动的控制 147
5.4.6.10 链霉菌次生代谢的调节因子——A因子 149
5.4.6.11 青霉素的生物合成与调节 151
6.3.1.4 氮源的影响 154
参考文献 155
6.1 能量代谢的热力学 157
6.1.1 热力学第一定律和热焓 157
6 发酵过程元素与代谢的计量化学衡算 157
6.1.2 热力学第二定律和熵 158
6.1.3 测定自由能的方法 159
6.2 能量的产生与耦合 160
6.2.1 能量的产生 160
6.2.2 能量的耦合 161
6.3.1.1 培养基的复杂程度与碳源的影响 162
6.3.1 形成生物量所需ATP的计算 162
6.3 生物能的产生与微生物生长之间的关系 162
6.3.1.2 运输过程对ATP的需求 163
6.3.1.3 细胞组分的影响 164
6.3.1.5 碳同化途径的影响 164
6.3.2 好气生长理论得率的计算 164
6.3.3 形成细胞物质ATP需求的实验测定 165
6.3.3.1 厌氧分批培养 165
6.3.4 微生物生长得率 167
6.3.3.3 好气培养 167
6.3.3.2 厌氧恒化培养 167
6.4 化学计量方法 168
6.4.1 微生物的元素组成 168
6.4.2 生长得率的测量 169
6.4.3 维持效应 169
6.4.4 守恒原理计算生长的全化学计量系数 171
6.4.5 还原度的衡算 172
6.5 基于自由能消费的化学计量学预测 173
6.5.2 生长所需的自由能的计算 174
6.5.1 维持自由能能量的关联 174
6.5.3 用自由能相关作化学计量学预测 175
6.5.4 计算化学计量学的代数关系 175
6.5.5 有关热量的计算 176
6.5.6 用热力学方法预测得率的限制 176
6.6 热力学观点分析生长动力学 176
6.7 代谢流研究 177
6.8 基于元素平衡和代谢平衡的综合研究方法 179
参考文献 181
7.1.1 核苷（酸）类物质应用的发展简史 182
7 嘌呤核苷发酵过程多尺度研究与优化 182
7.1 发酵法生产嘌呤核苷（酸）类物质的研究概况 182
7.1.2 嘌呤核苷酸合成途径及其调控机制 184
7.1.2.1 嘌呤核苷酸的合成途径 184
7.1.2.2 枯草芽孢杆菌嘌呤核苷酸合成的调控机制 184
7.1.2.3 枯草芽孢杆菌嘌呤核苷酸的补救合成途径 185
7.1.3 生产菌株及其发酵工艺研究 186
7.1.3.1 肌苷 186
7.1.3.2 鸟苷 187
7.1.3.3 基因工程技术在嘌呤核苷菌种选育中的应用 188
7.1.3.4 嘌呤核苷发酵工艺研究进展 189
7.2 嘌呤核苷发酵过程分析及鸟苷发酵的代谢流迁移的推断 190
7.2.1 引言 190
7.2.2.2 50L发酵罐上的发酵过程趋势曲线 191
7.2.2.3 鸟苷形成过程参数相关分析 191
7.2.2 嘌呤核苷发酵过程代谢分析 191
7.2.2.1 嘌呤核苷的产芽孢能力比较 191
7.2.3 鸟苷发酵过程后期代谢流迁移的发现 193
7.2.3.1 状态方程建立与系统识别 193
7.2.3.2 代谢流迁移的初步推断：纸层析方法 196
7.2.3.3 代谢流迁移的初步推断：芽孢杆菌的氮代谢 197
7.2.3.4 代谢流迁移的初步推断：有机酸的积累 198
7.2.3.5 代谢流迁移的初步推断：氨基酸的积累 198
7.2.3.6 代谢流迁移的初步推断：有机酸、氨基酸的时序相关分析 199
7.3.1 发酵过程中酶学研究的意义 200
7.3 代谢流迁移的酶学证据 200
7.2.4 结论 200
7.2.3.7 代谢流迁移的初步推断：发酵过程菌形变化特征 200
7.3.2 糖代谢途径关键酶 201
7.3.3 糖代谢途径关键酶活的时序分析 203
7.3.3.1 磷酸果糖激酶时序分析 203
7.3.3.2 丙酮酸激酶时序分析 203
7.3.3.3 6-磷酸葡萄糖脱氢酶时序分析 204
7.3.3.4 柠檬酸合成酶时序分析 204
7.3.3.5 氨酸脱氢酶时序分析 205
7.3.3.6 磷酸烯醇式丙酮酸：葡萄糖磷酸转移酶（PTS）系统 206
7.3.3.7 葡萄糖激酶时序分析 206
7.3.4 结论 207
7.4.1 引言 208
7.4 发酵过程的优化及其分析 208
7.4.2 发酵过程工艺优化：加入调控因子A的时机确定 209
7.4.3 新工艺条件下的过程参数的变化 210
7.4.4 代谢流优化的酶学证据 212
7.4.4.1 新老工艺中磷酸果糖激酶活力的对照 212
7.4.4.2 新老工艺中6-磷酸葡萄糖脱氢酶活力的对照 212
7.4.4.3 新老工艺中丙氨酸脱氢酶活力的对照 212
7.4.4.4 新老工艺中葡萄糖激酶活力的对照 212
7.4.4.5 讨论 213
7.5 鸟苷发酵过程的代谢流定量分析 213
7.5.1 概述 213
7.5.2.2 代谢网络的构建 215
7.5.2 基本理论及代谢网络的构建 215
7.5.2.1 基本理论 215
7.5.3 代谢流分布计算及其生物学分析 217
7.5.3.1 代谢方程组的解 217
7.5.3.2 HMP途径的作用 219
7.5.3.3 代谢流迁移 219
7.5.3.4 迁移碳源的去向 220
7.5.4 结论 220
7.6 鸟苷发酵过程中菌体变异的定量分析 222
7.6.1 菌体生理特性变异与形态特性变异的发现 222
7.6.3.1 投影面积 223
7.6.3.4 菌体弯度 223
7.6.3.3 菌体长度 223
7.6.3.2 细化的骨架 223
7.6.2.2 图像处理方法 223
7.6.3 参数的计算方法 223
7.6.2.1 图像采集 223
7.6.2 图像采集与处理方法 223
7.6.4 图像分析软件 224
7.6.4.1 图像数据库的构建 224
7.6.4.2 图片分析和处理及菌体形态参数计算 224
7.6.4.3 获得菌体形态参数变化规律 224
7.6.5 老工艺菌体弯度分析 224
7.6.5.1 老工艺中不同发酵时间各菌体形态参数的分布 224
7.6.6.1 根据菌体弯度变化分析发酵过程 225
7.6.5.2 老工艺中整个发酵过程变形菌变化规律 225
7.6.6 新老工艺菌体形态参数改变的比较 225
7.6.6.2 从发酵参数变化分析菌体形态变化的原因 226
7.6.7 新工艺在生产上的应用效果分析 227
7.6.8 讨论 227
7.7 嘌呤核苷产生菌的菌株间酶学差异分析 228
7.7.1 引言 228
7.7.2 产苷能力比较 229
7.7.3 PRPP转酰胺酶 230
7.7.4 腺苷琥珀酸合成酶 230
7.7.5 IMP脱氢酶 230
7.7.6 活细胞核苷水解能力 230
7.7.8 腺嘌呤脱氨酶 231
7.7.7 核苷酸酶 231
7.7.9 讨论 232
7.8 肌苷和鸟苷生产菌中嘌呤核苷合成途径三段基因序列的分析 233
7.8.1 引言 233
7.8.2 pur操纵子的启动子序列 233
7.8.3 purA基因 235
7.8.4 guaA基因 236
7.8.5 guaB基因 237
7.8.6 讨论 237
参考文献 237
8.1 概述 240
8 基因重组菌高密度高表达外源蛋白发酵过程参数检测与分析 240
8.2.1 大肠杆菌表达系统 241
8.2 重组大肠杆菌表达外源蛋白发酵过程的参数检测与分析 241
8.2.2 菌株 243
8.2.3 重组大肠杆菌发酵过程参数检测与分析 243
8.2.3.1 温敏型表达系统发酵过程参数分析 243
8.2.3.2 IPTG诱导型表达系统发酵过程分析 244
8.2.3.3 乳糖替代IPTG诱导发酵过程特点 246
8.2.4 基因工程菌Pichia pastoris 高密度高表达发酵过程参数分析 246
8.2.5 甲醇营养型酵母表达系统及其特点 247
8.2.5.1 表达载体及其特点 247
8.2.5.2 表达载体的转化及其菌株遗传表型 247
8.2.6.1 基因剂量 248
8.2.6 高效表达载体构建 248
8.2.6.2 mRNA中5′-和3′-UTR 序列和启动密码子AUG 249
8.2.6.3 A＋T组成 249
8.2.6.4 分泌信号序列 249
8.2.7 重组毕赤酵母基因表型（Mut+）菌株高密度发酵过程参数分析 249
8.2.7.1 发酵培养方法 249
8.2.7.2 发酵过程参数在线检测与控制 250
8.2.7.3 发酵过程不同阶段参数分析 251
8.2.7.4 重组毕赤酵母发酵过程参数曲线的相关性分析 253
8.2.8 重组毕赤酵母Muts菌株发酵过程分析 257
8.2.8.1 Muts菌株甲醇诱导阶段发酵过程特点 258
8.2.8.3 用葡萄糖替代甘油细胞生长发酵过程分析 260
8.2.8.2 Muts菌株甲醇补料方式 260
8.3 Pichia酵母表达系统化学计量计算研究 264
8.3.1 基因工程人血清白蛋白（rh-SA）高密度高表达 264
8.3.2 生长期化学计量计算 265
8.3.3 表达期化学计量计算 266
参考文献 269
9 抗生素发酵过程研究 272
9.1 青霉素发酵 272
9.1.1 概述 272
9.1.1.1 氧平衡 273
9.1.1.2 碳平衡 274
9.1.1.3 氮平衡 274
9.1.1.5 CO2平衡 275
9.1.1.4 硫平衡 275
9.1.1.6 PAA平衡 276
9.1.2 青霉素发酵过程参数相关控制 276
9.1.2.1 生长控制与补料操作 277
9.1.2.2 供氧与需氧 277
9.1.2.3 CO2积累及其影响 278
9.1.2.4 加豆油的作用与控制 278
9.1.3 青霉素发酵过程的状态估计与系统识别 279
9.2 红霉素发酵 280
9.2.1 次级代谢调控问题的宏观观察 280
9.2.2 代谢流分析中的H+平衡 281
9.3.1 金霉素生物合成的基本特点 282
9.3 金霉素发酵 282
9.3.1.1 糖代谢与生物转化 283
9.3.1.2 溶解氧浓度与生物合成 283
9.3.1.3 磷酸盐浓度与生物合成 283
9.3.1.4 氮源利用与生物合成 283
9.3.1.5 金霉素生物合成的基因调控 283
9.3.2 过程优化研究的基本思想 284
9.3.2.1 发酵初期的参数相关、生长分析与混沌现象 284
9.3.2.2 菌体生长与金霉素合成的关系 286
9.3.2.3 关于降温发酵的认识 286
9.4 阿维菌素发酵 287
9.4.1 阿维菌素的生物合成 287
9.4.2 阿维菌素生物合成的遗传学背景 288
9.4.3 阿维菌素发酵与质谱技术的结合 289
9.4.4 种子质量评价 289
9.4.5 补料控制 290
9.5 泰乐菌素发酵 291
9.5.1 概况 291
9.5.2 产生菌代谢特性 292
9.5.3 发酵过程工艺特点 293
9.5.3.1 油的利用与生物合成 293
9.5.3.2 氮源利用 293
9.5.3.3 供氧与需氧 293
9.5.4.1 静态优化及其局限性 294
9.5.4 参数相关与动态控制 294
9.5.3.4 产品组分控制 294
9.5.4.2 泰乐菌素发酵过程的多尺度问题与参数相关研究 295
9.6 链霉素发酵 296
9.6.1 概述 296
9.6.2 链霉素生物合成 296
9.6.3 链霉素发酵过程特点 297
9.6.3.1 高糖发酵与糖浓度的影响 297
9.6.3.2 氮源流加与pH控制 297
9.6.4 链霉素发酵过程优化的不同方法 298
9.6.4.1 多元统计的主元分析 298
9.6.4.2 参数相关分析与控制 299
9.6.5.1 A因子级联调控链霉素生物合成原理 303
9.6.5 链霉素生物合成A因子调控 303
9.6.5.2 cAMP对代谢功能的影响 304
9.7 微生物遗传育种的后技术研究 304
9.7.1 概述 304
9.7.2 后技术研究必须考虑的几个问题 305
9.7.2.1 代谢流分布与迁移 305
9.7.2.2 生物反应器的混合与传递特性所形成的临界条件对产物形成的影响 305
9.7.2.3 基因与表型 306
9.7.2.4 次级代谢产物与混沌现象的细胞生物学本质 306
参考文献 307
后记 309