第1章 新型有机酸生产技术 1
1.1 概述 1
1.1.1 有机酸的定义和分类 1
1.1.2 羧酸的性质 3
1.2 发酵法生产有机酸的历史与现状 5
1.2.1 有机酸与人类文明发展 6
1.2.2 主要有机酸市场情况 7
1.3 主要有机酸及其发酵法生产 12
1.3.1 C1有机酸 12
1.3.2 C2有机酸 14
1.3.3 C3有机酸 16
1.3.4 C4有机酸 22
1.3.5 C5有机酸 27
1.3.6 C6有机酸 31
1.3.7 其他 41
1.4 有机酸的化学合成与发酵生产的比较 44
1.4.1 有机酸的化学合成法存在的问题 44
1.4.2 发酵法生产有机酸及其优势 46
1.4.3 有机酸发酵微生物 48
1.4.4 发酵法生产有机酸存在的问题 49
1.5 展望 51
参考文献 52
第2章 新型有机酸生产菌种选育的传统方法与先进技术 53
2.1 概述 53
2.2 诱变育种原理与技术 54
2.2.1 物理诱变技术 54
2.2.2 化学诱变技术 57
2.3 代谢控制育种 58
2.3.1 营养缺陷型育种技术 58
2.3.2 拮抗育种技术 59
2.4 适应性进化 60
2.4.1 适应性进化应用于提高环境适应性 61
2.4.2 适应性进化应用于表型优化 62
2.4.3 适应性进化应用于潜在代谢途径的激活 62
2.5 基因组重排 63
2.5.1 基因组重排技术的优点 64
2.5.2 基因组重排技术的原理 64
2.5.3 基因组重排技术的应用 66
2.5.4 基因组重排技术存在的问题与展望 67
2.6 菌种筛选技术 67
2.6.1 传统筛选技术 67
2.6.2 高通量筛选技术 68
2.7 小结 69
参考文献 69
第3章 微生物合成新型有机酸的生理机制与代谢调控 71
3.1 概述 71
3.2 碳中心代谢途径调控过程的生理机制 72
3.2.1 葡萄糖转运和磷酸化对碳中心代谢途径的调控 73
3.2.2 糖酵解途径关键酶的代谢特性 75
3.2.3 碳中心代谢途径的辅因子调控机制 77
3.3 酸胁迫与高渗胁迫能力强化 81
3.3.1 有机酸发酵过程中的酸胁迫和高渗胁迫 81
3.3.2 微生物应对酸胁迫的主要响应机制 83
3.3.3 微生物应对高渗胁迫的主要响应机制 84
3.3.4 酸胁迫和高渗胁迫对有机酸积累的正调控 91
3.4 微生物合成新型有机酸的代谢调控 93
3.4.1 代谢调控的关键作用靶点 94
3.4.2 代谢工程策略 95
3.5 小结 99
参考文献 99
第4章 新型有机酸发酵过程优化与控制 100
4.1 概述 100
4.2 分批发酵技术 101
4.2.1 培养基的设计及优化 101
4.2.2 分批发酵过程的模型化研究 108
4.3 流加发酵技术 110
4.3.1 流加发酵技术简介 111
4.3.2 流加培养原理 112
4.3.3 发酵过程中常用的流加策略 114
4.4 高细胞密度发酵技术 119
4.4.1 高细胞密度发酵简介 119
4.4.2 高细胞密度培养生长环境的优化策略 121
4.4.3 高细胞密度培养的培养模式 122
4.4.4 最大细胞密度的理论计算 123
4.5 分阶段控制策略 128
4.5.1 分阶段发酵模型的建立 128
4.5.2 溶氧的分阶段控制 129
4.5.3 pH的分阶段控制 131
4.5.4 温度的分阶段控制 133
4.6 基于复杂生理参数的在线控制策略 135
4.6.1 生物量的估计 136
4.6.2 噪声测量 136
4.6.3 生物学控制-反馈和前馈 136
4.6.4 自适应控制和自适应模型 137
4.6.5 故障诊断 137
4.6.6 改进控制的经验方法 137
4.7 目标产物原位消除策略 138
4.7.1 膜法发酵 138
4.7.2 电渗析发酵 139
4.7.3 提取发酵 140
4.7.4 吸附发酵 141
4.8 小结 142
参考文献 142
第5章 发酵法制备丙酮酸技术 143
5.1 概述 143
5.2 丙酮酸高产菌株育种技术 144
5.2.1 乙酸渗漏型丙酮酸高产菌株的选育 144
5.2.2 氟丙酮酸敏感型丙酮酸高产菌株的选育 147
5.2.3 以无机氮源为唯一氮源丙酮酸高产菌株的选育 147
5.3 辅因子工程技术强化光滑球拟酵母丙酮酸积累速率 149
5.3.1 内源NAD＋/H再生系统对丙酮酸合成过程的影响 150
5.3.2 异源NAD＋/H再生系统对丙酮酸合成过程的影响 154
5.4 代谢工程技术强化光滑球拟酵母高渗透压耐受能力 164
5.4.1 高渗胁迫对光滑球拟酵母的系统生物学研究 164
5.4.2 过程优化和代谢工程技术强化光滑球拟酵母渗透压胁迫耐受 169
5.5 丙酮酸发酵过程优化策略 177
5.5.1 维生素浓度和流加策略的优化 177
5.5.2 葡萄糖流加策略的优化 180
5.5.3 基于动力学模型温度控制策略的优化 186
5.5.4 分阶段溶氧发酵过程优化策略 192
5.6 小结 196
参考文献 197
第6章 发酵法制备α-酮戊二酸技术 198
6.1 概述 198
6.2 α-酮戊二酸高产菌株育种技术 201
6.2.1 α-酮戊二酸高产菌株筛选 201
6.2.2 α-酮戊二酸高产菌株高通量诱变育种 201
6.3 碳中心代谢途径调控强化解脂亚洛酵母生产α-酮戊二酸 204
6.3.1 调控乙酰辅酶A代谢促进α-酮戊二酸的生成 204
6.3.2 强化丙酮酸回补途径促进α-酮戊二酸的积累 206
6.4 转运蛋白工程技术强化解脂亚洛酵母胞外积累α-酮戊二酸 211
6.5 α-酮戊二酸发酵过程优化与放大 214
6.5.1 基础发酵过程优化 215
6.5.2 分阶段pH控制发酵过程优化策略 218
6.5.3 解脂亚洛酵母发酵生产α-酮戊二酸中试放大 220
6.6 小结 226
参考文献 226
第7章 发酵法制备丙酸技术 227
7.1 概述 227
7.1.1 丙酸的生产 228
7.1.2 丙酸杆菌 229
7.1.3 微生物细胞响应酸性环境的耐受机制 229
7.1.4 基于组学技术的丙酸杆菌的生理特性研究 230
7.2 丙酸高产菌株育种技术 232
7.2.1 基因组改组技术简介 232
7.2.2 基因组改组技术提高产酸丙酸杆菌耐酸性能 233
7.3 胞内微环境水平的耐酸机制解析 237
7.3.1 微生物生理学分析 237
7.3.2 基于蛋白质组学的耐酸机制解析 240
7.4 基于代谢组学的解析提高丙酸产量 249
7.4.1 产酸丙酸杆菌改组菌株和原始菌株发酵特性的比较 249
7.4.2 产酸丙酸杆菌代谢组学分析 250
7.4.3 丙酸合成的关键代谢物及代谢途径 254
7.4.4 外源添加关键代谢物提高丙酸产量 256
7.5 小结 259
参考文献 259
第8章 酶转化法制备酮酸 261
8.1 概述 261
8.2 L-氨基酸脱氨酶转化L-苯丙氨酸生产α-苯丙酮酸 265
8.2.1 P.mirabilis L-氨基酸脱氨酶在大肠杆菌中的表达 265
8.2.2 全细胞催化剂转化L-苯丙氨酸生产α-苯丙酮酸条件优化 266
8.2.3 L-氨基酸脱氨酶定向进化 269
8.2.4 L-氨基酸脱氨酶定点饱和突变 270
8.2.5 大肠杆菌代谢改造 271
8.3 L-氨基酸脱氨酶转化L-蛋氨酸生产α-氨酮基-γ-甲硫基丁酸 276
8.3.1 P.vulgαris L-氨基酸脱氨酶在大肠杆菌中的表达 276
8.3.2 定向进化和定点突变提高催化效率 278
8.3.3 全细胞转化催化剂的细胞固定化 280
8.4 L-氨基酸脱氨酶转化L-谷氨酸生产α-酮戊二酸 281
8.4.1 在枯草芽孢杆菌和大肠杆菌中异源表达L-氨基酸脱氨酶 282
8.4.2 关键条件因素对全细胞转化生产α-KG的影响 283
8.4.3 阻止底物向胞内的转运以减少细胞催化剂对底物的吸收消耗 284
8.4.4 全细胞转化L-谷氨酸生产α-KG的过程优化 285
8.5 全细胞转化L-亮氨酸生产α-酮异己酸 286
8.5.1 重组质粒pET28a-lad的构建 286
8.5.2 全细胞催化剂的制备及优化 286
8.5.3 全细胞反应条件优化 288
8.5.4 在过量亮氨酸的条件下的流加策略优化 291
8.5.5 氨基酸脱氨酶催化过程和催化位置分析 293
8.6 小结 294
参考文献 294