第一章 绪论 1
第一节 发酵工程在工业生物技术系统中的地位及其研究内容 1
一、发酵工程处于工业生物技术体系的核心地位 1
二、发酵工程的研究内容 2
三、发酵过程优化的研究内容 4
第二节 发酵过程优化技术的研究与应用现状 5
一、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之一 5
二、基于微生物功能理解的发酵过程优化技术 6
三、高生产率和高细胞密度发酵 7
四、发酵过程建模与控制策略 11
参考文献 14
第二章 基于微生物反应计量学的培养环境优化技术 15
第一节 微生物的营养与生理特性 15
一、微生物的营养需求与营养类型 15
二、营养物质进入细胞的方式 17
三、微生物代谢 20
第二节 微生物代谢体系与营养环境条件之间的关系 22
一、微生物对环境的适应 22
二、常用的培养环境优化方法 25
三、遗传算法与人工神经网络用于培养环境的优化 30
第三节 营养与环境条件对光滑球拟酵母过量合成丙酮酸的影响 32
一、酵母粉质量浓度对丙酮酸发酵的影响 33
二、蛋白胨质量浓度对丙酮酸发酵的影响 33
三、豆饼水解液和无机氮源对丙酮酸发酵的影响 33
四、分批培养中供氧方式和培养基碳氮比对丙酮酸发酵的影响 34
五、葡萄糖流加培养中氮的供给对丙酮酸发酵的影响 35
六、关于培养基对丙酮酸发酵的影响需要考虑的问题 37
第四节 产朊假丝酵母发酵生产谷胱甘肽的营养及环境条件 38
一、碳源种类对谷胱甘肽发酵的影响 38
二、氮源种类对谷胱甘肽发酵的影响 39
三、混合无机氮源对谷胱甘肽发酵的影响 40
四、磷酸二氢钾和硫酸镁对谷胱甘肽发酵的影响 40
五、谷胱甘肽发酵的营养条件正交优化实验 41
六、环境条件对谷胱甘肽发酵的影响 42
七、C.utilis WSH 02-08生产谷胱甘肽的摇瓶发酵过程 43
八、摇瓶分批补糖方式对谷胱甘肽发酵的影响 43
第五节 氨基酸与表面活性剂在谷胱甘肽过量合成中的作用 44
一、L-谷氨酸添加对谷胱甘肽发酵的影响 45
二、甘氨酸添加对谷胱甘肽发酵的影响 46
三、L-半胱氨酸在谷胱甘肽过量合成中的作用 46
四、表面活性剂对细胞生长的影响 50
五、低浓度离子型表面活性剂对谷胱甘肽合成的影响 51
六、高浓度离子型表面活性剂对谷胱甘肽胞外积累的影响 52
七、非离子型表面活性剂对谷胱甘肽合成的影响 53
第六节 调配维生素供给方式强化丙酮酸生产的过程功能 54
一、补加维生素对细胞生长和丙酮酸合成的影响 55
二、维生素浓度对细胞生长和丙酮酸合成的影响 56
三、维生素指数流加对细胞生长和丙酮酸合成的影响 57
四、分步指数流加维生素策略的提出 58
参考文献 59
第三章 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术 60
第一节 发酵过程中微生物的代谢特性 60
一、微生物细胞的主要代谢途径 60
二、微生物代谢调节的特性 65
三、基于微生物代谢特性的发酵过程控制与优化 66
第二节 透明质酸高效生产的搅拌与溶氧浓度控制策略 71
一、发酵体系的流变学特性与传质性能 71
二、搅拌转速对透明质酸发酵过程的影响 75
三、溶氧浓度对发酵生产透明质酸的影响 79
四、透明质酸发酵的搅拌与溶氧浓度控制策略 80
五、氧代谢途径及其影响透明质酸合成的作用机制 80
第三节 谷氨酰胺转胺酶分批发酵的pH及温度控制策略 82
一、控制不同pH对发酵过程的影响 82
二、pH对细胞比生长速率及MTG比合成速率的影响 84
三、MTG发酵过程中pH值优化控制策略 85
四、不同温度下的MTG分批发酵过程 85
五、温度对细胞生长及产酶的影响 87
六、MTG分批发酵过程分阶段温度控制策略 88
第四节 丙酮酸分批发酵的供氧控制模式 89
一、丙酮酸分批发酵过程的溶氧变化情况 89
二、不同kLa下WSH-IP303发酵生产丙酮酸的动力学特征 90
三、分阶段供氧控制模式的提出和实验验证 91
参考文献 94
第四章 基于反应动力学模型的优化技术 96
第一节 发酵过程中动力学模型概述 96
一、微生物生长的非结构动力学模型 96
二、微生物产物形成动力学模型 100
三、多底物动力学 101
第二节 聚羟基丁酸分批发酵过程动力学模型及优化 102
一、不同供氧水平对PHB发酵过程的影响 103
二、不同初糖浓度对PHB发酵过程的影响 104
三、PHB分批发酵过程分析和控制 107
四、PHB分批发酵动力学 108
五、PHB分批发酵过程动力学的分析 111
第三节 透明质酸分批发酵动力学及过程模型化 112
一、理论与模型建立 113
二、乳酸对透明质酸发酵的影响 115
三、动力学模型参数的求解 116
四、动力学模型的适用性 117
五、功能单元的酶学一致性 117
第四节 基于动力学模型强化丙酮酸生产的过程功能 120
一、基于葡萄糖浓度的丙酮酸分批发酵动力学模型 120
二、基于动力学模型调控温度强化丙酮酸发酵的过程功能 126
第五节 赖氨酸流加发酵与连续培养的最优控制 132
一、初糖浓度对发酵的影响 133
二、溶氧对发酵的影响 133
三、pH对发酵的影响 135
四、发酵过程的溶氧与pH控制 136
五、赖氨酸分批发酵动力学 138
六、分批发酵动力学模型的评价 141
七、分批发酵的模型分析 142
参考文献 143
第五章 基于代谢通量分析的优化技术 144
第一节 代谢物及其通量分析在发酵过程中的应用 144
一、微生物代谢物及代谢组学 144
二、微生物代谢物分析实验的注意事项 145
三、工业微生物代谢物分析平台 147
四、代谢物分析在工业微生物学中的应用 148
五、代谢物分析在发酵过程优化中的应用 151
第二节 丙酮酸发酵过程的代谢网络分析 152
一、代谢网络构建和代谢通量计算 152
二、不同硫胺素浓度和不同DOT下的分批发酵结果 156
三、不同硫胺素浓度和不同DOT下NADPH的产生与消耗 159
四、不同硫胺素浓度和不同DOT下NADH的产生与消耗 159
五、不同硫胺素浓度和不同DOT下ATP的产生与消耗 160
六、几个其他问题 161
第三节 谷胱甘肽分批发酵过程代谢网络分析 164
一、C.utilis WSH 02-08分批生产谷胱甘肽的代谢网络 164
二、代谢通量的计算 168
三、谷胱甘肽分批发酵不同阶段的代谢通量分布 168
四、分阶段温度控制策略下的代谢通量分布 171
五、L-半胱氨酸的添加对代谢通量分布的影响 171
第四节 谷氨酰胺转胺酶分批发酵过程中氨基酸代谢流分析 172
一、理论分析 172
二、MTG分批发酵过程分析 175
三、游离氨基酸对MTG发酵的影响 177
四、铵离子的解交联作用 178
参考文献 179
第六章 基于环境胁迫的优化技术 181
第一节 环境胁迫对微生物生理的影响 181
一、工业微生物遇到的主要环境胁迫 181
二、工业微生物抵御非生宜环境的生理系统 184
三、提高工业微生物对非生宜环境适应能力的策略 186
第二节 谷胱甘肽保护乳酸乳球菌抵抗氧、酸和冷冻胁迫 187
一、半胱氨酸对乳酸乳球菌好氧生长的影响 188
二、GSH对乳酸乳球菌NZ9000抵抗H2O2氧胁迫抗性的影响 189
三、不同生长时期的乳酸乳球菌NZ9000对H2O2胁迫的抗性 190
四、GSH对乳酸乳球菌NZ9000抵抗甲萘醌引发的氧胁迫抗性的影响 190
五、GSH对乳酸乳球菌NZ9000抵抗高剂量甲萘醌引发的短时间氧胁迫抗性的影响 191
六、GSH对乳酸乳球菌NZ9000的SodA缺失的互补作用 192
七、GSH在乳酸乳球菌NZ9000SodA突变株中的生产 193
八、GSH对乳酸乳球菌NZ9000SodA突变株好氧生长的影响 193
九、GSH对乳酸乳球菌NZ9000SodA突变株抵抗氧胁迫抗性的影响 194
十、GSH在乳酸乳球菌SK11中的生产 194
十一、GSH对乳酸乳球菌SK11生长的影响 195
十二、GSH对乳酸乳球菌SK11氧胁迫抗性的影响 197
十三、GSH对乳酸乳球菌SK11酸胁迫抗性的影响 197
十四、乳酸乳球菌SK11（pNZ9530/pNZ3203）和乳酸乳球菌SK11（pNZ9530/pNZ8148）发酵液中NH+ 4浓度的比较 198
第三节 活性氧胁迫促进Bacillus sp.F26过量合成过氧化氢酶 198
一、不同浓度H2O2在无细胞培养液中浓度变化曲线 199
二、初始添加不同浓度H2O2对CAT合成的影响 199
三、培养不同时期添加H2O2对CAT合成的影响 199
四、发酵罐中不同浓度H2O2持续胁迫下Bacillus sp.F26的应激响应 201
五、H2O2不同流加方式对细胞生长和CAT合成的影响 205
六、添加甘露醇对H2O2胁迫下细胞生长和CAT合成的影响 207
七、超氧阴离子自由基（O- 2·）胁迫对CAT合成的影响 208
八、不同浓度甲萘醌对CAT和SOD合成及细胞生长的影响 210
九、不同浓度外源O- 2·对CAT和SOD合成的影响 210
十、发酵罐中不同浓度甲萘醌持续胁迫下Bacillus sp.F26的应激响应 211
十一、溶氧浓度对Bacillus sp.F26对甲萘醌氧化胁迫响应的影响 213
第四节 pH胁迫作用促进产朊假丝酵母生产谷胱甘肽 216
一、pH控制对谷胱甘肽发酵的影响 217
二、发酵24h时施加低pH胁迫对GSH发酵过程的影响 218
三、低pH对细胞活力及GSH胞外积累的影响 218
四、低pH胁迫及补料策略对GSH发酵的影响 219
第五节 提高光滑球拟酵母耐受渗透压能力加强丙酮酸生产 221
一、耐受高浓度氯化钠突变株的选育 221
二、氯化钠、山梨醇浓度对T.glabrata生长及发酵生产丙酮酸的影响 222
三、连续培养筛选耐高渗突变株 223
四、氯化钠浓度对突变株与出发菌株的影响 223
五、高葡萄糖浓度对突变株与出发菌株发酵生产丙酮酸的比较 224
参考文献 225
第七章 基于辅因子调控的优化技术 226
第一节 辅因子种类及其生理作用概述 226
一、工业微生物中ATP调控策略与应用 227
二、工业微生物中NADH的代谢调控 229
三、工业微生物中乙酰辅酶A及其衍生物的代谢调控 233
四、辅因子工程优化技术在发酵过程优化中的应用展望 236
第二节 调节ATP浓度调控糖酵解速率 237
一、外源抑制剂降低电子传递链对T.glabrata能量代谢和酵解的影响 237
二、F0F1-ATPase活性降低突变株的获得 239
三、降低F0F1-ATPase活性对T.glabrata能量代谢和酵解的影响 241
四、ATP水平对糖酵解途径的影响 243
第三节 调节NADH浓度调控丙酮酸生产强度 246
一、烟酸对糖酵解速率的影响 248
二、改变NADH氧化途径加速葡萄糖消耗 248
三、低溶氧下提高ADH活性加速葡萄糖消耗 250
四、表达NADH氧化酶对光滑球拟酵母NADH代谢的影响 253
第四节 调控乙酰CoA库促进α-酮戊二酸过量积累 258
一、过量表达acs2提高T.glabrata胞内乙酰CoA水平促进α-KG合成 259
二、过量表达pdc1提高T.glabrata胞内乙酰CoA水平促进α-酮戊二酸合成 262
第五节 维生素在调控光滑球拟酵母中碳代谢流中的重要作用 265
一、调节维生素水平阻断碳流于丙酮酸节点 266
二、提高硫胺素浓度增加丙酮酸脱氢酶途径代谢通量 266
三、提高生物素浓度增加丙酮酸羧化酶途径代谢通量 268
四、碳酸钙对碳代谢流流向和通量大小的影响 268
五、同时增加PDH和PC途径代谢通量对代谢流分布的影响 269
六、维生素和金属元素调控碳代谢流的重要作用 269
第六节 金属离子对γ-CGT酶生产的促进和细胞能量代谢的影响 270
一、镁、锰、锌的添加对γ-CGT酶合成的影响 271
二、镁、锰、锌的不同添加方式对细胞生长的影响 272
三、发酵过程中镁、锰、锌的消耗情况 272
四、镁、锰、锌添加对发酵过程中总糖消耗的影响 273
五、不同金属离子添加方式对胞内ATP和ADP含量的影响 274
六、金属离子对微生物的生理作用 274
参考文献 275
第八章 生物反应系统优化技术 276
第一节 系统优化技术概述 276
第二节 ATP再生系统及其在谷胱甘肽生物合成中的应用 277
一、ATP再生系统 277
二、ATP再生和谷胱甘肽生物合成的耦合系统 281
三、生物合成谷胱甘肽种间耦合ATP再生系统的构建 286
第三节 生物反应与产物分离的组合系统 289
一、随程溶剂萃取 290
二、渗透萃取 291
三、渗透蒸发 291
四、其他生物反应与产物分离技术 292
五、生物反应与产物分离组合系统的发展趋势 294
参考文献 294