现代工业发酵调控学-第三版

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5
1.1.2生长的测量6
1.1.2.1细胞数目的测量7
1.1.2.2细胞量的测量8
1.1.2.3生物量的在线测量10
1.1.3环境对生长的影响13
1.1.3.1物理环境13
1.1.3.2化学环境17
1.1.4生长的变量和约束20
1.1.4.1细胞的大分子成分20
1.1.4.2限制步骤21
1.1.4.3生长对能量的需求21
1.1.4.4微生物热的释放22
1.2细胞周期22
1.2.1染色体复制与细胞分裂的调节23
1.2.2染色体复制的启动24
1.2.3细胞周期的研究方法24
1.2.3.1镜检法24
1.2.3.2同步培养法24
1.2.3.3同位素示踪法24
1.2.4生长速率与细胞大小的关系26
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28
1.3生长效率28
1.3.1得率系数28
1.3.1.1分子得率系数28
1.3.1.2碳转化效率29
1.3.1.3电子平均数为基准的得率29
1.3.1.4基于热的产生的得率29
1.3.1.5以氧耗为基准的得率30
1.3.1.6基于ATP消耗的得率30
1.3.2测定生长效率时应注意的实际问题31
1.3.2.1分批与恒化培养31
1.3.2.2培养基组成31
1.3.2.3流出液的控制31
1.3.2.4取样与代谢物的分析31
1.3.3用于生物量形成的能量需求31
1.3.4呼吸效率32
1.3.5维持能与环境因素的关系33
1.3.5.1渗透压33
1.3.5.2水活度34
1.3.5.3氧和二氧化碳分压34
1.3.5.4温度36
1.3.5.5pH36
1.3.5.6副产物对生长得率的影响37
1.4生长调节37
1.4.1菌丝顶端生长37
1.4.1.1菌丝顶端生长机制38
1.4.1.2泡囊如何在菌丝顶端聚集39
1.4.1.3菌丝生长过程39
1.4.2菌丝分枝规律40
1.4.2.1分枝的形成40
1.4.2.2菌丝生长单位40
1.4.2.3菌丝结团的动力学41
1.4.2.4菌球内部扩散限制的后果42
1.4.2.5游离菌丝与菌球的破碎43
1.4.3微生物生长分化的调节43
1.4.3.1极化生长的调节44
1.4.3.2菌丝分枝启动的调节44
1.4.3.3菌丝空间分布的调节45
1.4.3.4链霉菌生长的调节45
1.5运输过程46
1.5.1细胞膜的结构与功能48
1.5.2运输器的分类系统49
1.5.3运输机制49
1.5.3.1通道与孔51
1.5.3.2电化势能驱动的运输器(次级运输过程)52
1.5.3.3初级主动运输器54
1.5.3.4基团转运蛋白54
1.5.3.5跨膜电子流系统57
1.5.3.6大分子的运输57
1.5.4运输过程动力学57
思考题59
参考文献60


2微生物的基础代谢62
2.1能量代谢原理62
2.1.1能量代谢的热力学63
2.1.1.1热力学**定律和热焓63
2.1.1.2热力学第二定律、第三定律和熵64
2.1.2能量的产生与偶合65
2.1.2.1能量的产生65
2.1.2.2高能化合物66
2.1.2.3能量的偶合67
2.1.3氧还电位和移动电子载体68
2.1.3.1氧还电位68
2.1.3.2移动电子载体68
2.2微生物的分解代谢69
2.2.1葡萄糖分解代谢69
2.2.1.1酵解 (EMP) 途径70
2.2.1.2己糖单磷酸支路(HMS)70
2.2.1.3恩特纳多多罗夫(ED)途径71
2.2.1.4磷酸解酮酶(PK)途径71
2.2.1.5各种葡萄糖分解途径的相互关系71
2.2.1.6三羧酸(TCA)循环71
2.2.1.7乙醛酸循环72
2.2.2多糖和单糖的利用72
2.2.3厌氧代谢过程73
2.2.3.1乙醇发酵73
2.2.3.2丙酮、丁醇、乙酸、丁酸发酵74
2.2.3.3乳酸、丁二醇、甲烷发酵78
2.2.4脂肪酸、脂烃和芳香烃的氧化81
2.2.5氮的循环和氨基酸的降解82
2.2.5.1氮的循环82
2.2.5.2氨基酸的降解83
2.2.6硫的代谢83
2.2.7核苷酸的降解和有机磷的代谢84
2.2.8聚合物的氧化85
2.2.8.1淀粉86
2.2.8.2纤维素86
2.3微生物的组成代谢87
2.3.1C1的同化88
2.3.2分子氮的同化89
2.3.3硝酸盐的同化89
2.3.4氨的同化90
2.3.5硫酸盐的同化90
2.3.6氨基酸的生物合成91
2.3.6.1谷氨酸族的生物合成91
2.3.6.2天冬氨酸族的生物合成93
2.3.6.3芳香氨基酸族的生物合成94
2.3.6.4丝氨酸族的生物合成96
2.3.6.5丙氨酸族的生物合成97
2.3.6.6组氨酸的生物合成97
2.3.6.7经氨基酸途径的含氮化合物的生物合成97
2.3.7核苷酸的生物合成99
2.3.7.1核糖核苷酸的生物合成99
2.3.7.2脱氧核糖核苷酸的生物合成101
2.3.7.3细菌对外源嘌呤、嘧啶碱及其核苷的利用102
2.3.8脂质的生物合成102
2.3.8.1脂肪酸的生物合成102
2.3.8.2不饱和脂肪酸的生物合成105
2.3.8.3磷脂的生物合成108
2.3.9聚类异戊二烯化合物的合成108
2.3.10甾类化合物109
2.3.11糖磷酸酯与糖核苷酸112
2.3.12多糖的生物合成113
思考题114
参考文献115


3代谢调节与代谢工程116
3.1酶活性的调节117
3.1.1代谢调节的部位117
3.1.2共价修饰118
3.1.2.1可逆共价修饰118
3.1.2.2不可逆共价修饰118
3.1.3变构效应119
3.1.3.1协同作用119
3.1.3.2变构效应的由来121
3.1.3.3变构效应的解释122
3.1.3.4变构调节的特征122
3.1.4其他调节方式122
3.1.4.1缔合与解离122
3.1.4.2竞争性抑制123
3.2酶合成的调节123
3.2.1诱导作用123
3.2.1.1诱导作用的分子水平的机制124
3.2.1.2顺序诱导作用125
3.2.1.3诱导物的种类与效率125
3.2.1.4诱导调节的克服127
3.2.1.5组成型突变株的获得127
3.2.2分解代谢物阻遏127
3.2.2.1分解代谢物阻遏效应128
3.2.2.2分解代谢物阻遏的分子机制128
3.2.2.3分解代谢物阻遏作用的克服129
3.2.2.4耐分解代谢物阻遏的突变株的获得130
3.2.2.5氮分解代谢物的调节131
3.2.3反馈调节131
3.2.3.1反馈阻遏在分子水平上的作用机制132
3.2.3.2反馈调节作用的消除132
3.2.3.3分离耐末端代谢产物调节的突变株的方法134
3.2.3.4反馈抑制136
3.2.4分支途径的调节方式136
3.2.4.1分支途径中末端产物的调节136
3.2.4.2微生物代谢调节机制的多样性138
3.2.5避开微生物固有代谢调节，过量生产代谢产物139
3.2.5.1积累末端产物139
3.2.5.2细胞膜通透性的改变140
3.2.5.3能荷的调节141
3.2.5.4无机聚磷酸的代谢与功能142
3.3代谢系统的分子控制机制142
3.3.1真细菌转录的基础143
3.3.1.1RNA聚合酶143
3.3.1.2转录途径143
3.3.1.3启动子的识别144
3.3.2DNA结合蛋白：激活剂与阻遏物146
3.3.3双组分调节系统146
3.3.4RNA水平的调节机制：衰减器模型148
3.4代谢调节148
3.4.1糖代谢调节148
3.4.1.1巴斯德效应或氧效应148
3.4.1.2克列勃特里或葡萄糖效应151
3.4.2氨基酸合成的调节153
3.4.3核苷酸合成的调节154
3.4.3.1肌苷154
3.4.3.2鸟苷155
3.4.3.3腺苷155
3.5代谢工程155
3.5.1概论155
3.5.2代谢流 (物流、信息流) 的概念156
3.5.2.1有关术语156
3.5.2.2物流与酶的关系157
3.5.2.3物流限制作用的克服158
3.5.2.4反馈抑制与限制途径物流的关系158
3.5.3代谢物流分析159
3.5.3.1物流分布的测量159
3.5.3.2代谢物流分析的应用160
3.5.4代谢控制分析163
3.5.4.1物流控制分析的概念164
3.5.4.2节点及其判断166
3.5.4.3代谢流的控制167
3.5.4.4代谢控制分析在代谢产物合成方面的应用167
3.5.5代谢工程的应用168
3.5.5.1胞内代谢物的测量168
3.5.5.2基质谱的扩展169
3.5.5.3降解异型生物质的新代谢途径170
3.5.5.4老产品产率、得率的改进和新产品的构建171
3.5.6推定代谢工程与反向代谢工程171
3.5.7重要工业微生物表型的进化工程174
3.6系统生物学与组学研究概况174
3.6.1代谢工程的组学研究176
3.6.2导致细菌表型改进的基因组改组176
思考题177
参考文献178


4微生物次级代谢与调节181
4.1引论181
4.1.1微生物次级代谢的特征181
4.1.2次级代谢产物的类型183
4.1.2.1糖类184
4.1.2.2多肽类184
4.1.2.3聚脂酰类184
4.1.2.4核酸碱基类似物类184
4.1.2.5其他类型184
4.1.3抗生素的生源学185
4.1.4初级与次级代谢途径相互连接185
4.2次级代谢物生物合成的前体186
4.2.1前体的概况186
4.2.1.1内源前体187
4.2.1.2外源前体190
4.2.2前体的作用192
4.2.2.1起抗生素建筑材料作用192
4.2.2.2诱导抗生素生物合成的作用192
4.2.2.3前体与诱导物的区别193
4.2.2.4研究前体作用的方法193
4.2.2.5新抗生素的定向生物合成194
4.2.3前体的限制性194
4.2.3.1前体合成的调节机制194
4.2.3.2前体导向抗生素的合成194
4.2.3.3添加前体的策略195
4.3次级代谢物生物合成原理195
4.3.1把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径195
4.3.2前体聚合作用过程195
4.3.3次级代谢物结构的后几步修饰196
4.3.4复合抗生素中不同部分的装配196
4.3.5次级代谢物合成酶的专一性197
4.4抗生素的生物合成197
4.4.1短链脂肪酸为前体的抗生素197
4.4.1.1大环内酯类抗生素198
4.4.1.2四环类抗生素208
4.4.1.3蒽环类抗生素213
4.4.2氨基酸为前体的抗生素213
4.4.2.1青霉素簇抗生素213
4.4.2.2头孢菌素簇抗生素217
4.4.2.3其他β-内酰胺类抗生素219
4.4.2.4肽类抗生素的生物合成221
4.4.3经修饰的糖为前体的抗生素223
4.4.3.1链霉素的生物合成223
4.4.3.2氨基糖苷类抗生素的调节225
4.4.3.3次要组分的调控226
4.4.3.4调节因子226
4.4.3.5突变生物合成228
4.5微生物次级代谢作用的调控229
4.5.1微生物的次级代谢与其生命活动的关系229
4.5.1.1次级代谢在微生物中所起的作用229
4.5.1.2次级代谢与生长、分化的关系229
4.5.2次级代谢产物生物合成的调节与控制230
4.5.2.1参与抗生素合成作用的酶的诱导及解除阻遏230
4.5.2.2抗生素生物合成启动的控制231
4.5.2.3碳源分解代谢物的调节232
4.5.2.4氮源分解代谢物的调节233
4.5.2.5磷酸盐的调节235
4.5.2.6分解代谢产物对次级代谢控制的作用部位237
4.5.2.7分解代谢产物作为次级代谢产物合成的胞内调控因子237
4.5.2.8抗生素生物合成的终止239
4.5.2.9人工克服微生物次级代谢调控作用的限制239
4.5.2.10定向抗生素生物合成240
4.5.3基因工程在提高生产性能上的应用240
4.5.3.1强化表达网络调控机构的正向调节240
4.5.3.2改变表达体系241
4.5.3.3扩增抗生素产生菌的抗性基因242
4.5.3.4提高编码关键酶的基因剂量242
4.5.3.5提高转译水平的表达效率243
4.5.3.6增强重组菌的生长能力244
4.5.3.7调节性启动子244
4.5.3.8提高菌在限氧下的生长与生产能力245
4.5.3.9强化产物的分泌246
4.5.4合成生物学246
思考题246
参考文献247


5发酵过程控制与优化250
5.1发酵过程技术原理250
5.1.1分批发酵251
5.1.1.1分批发酵的基础理论251
5.1.1.2重要的生长参数253
5.1.1.3分批发酵的优缺点253
5.1.2补料-分批发酵254
5.1.2.1理论基础254
5.1.2.2分批补料的优化255
5.1.3半连续发酵256
5.1.4连续发酵257
5.1.4.1单级连续发酵的理论基础257
5.1.4.2多级连续培养258
5.1.4.3连续培养在工业生产中的应用259
5.1.4.4连续培养中存在的问题259
5.1.5与产物回收结合的培养261
5.1.5.1膜分离与发酵耦合262
5.1.5.2溶剂萃取与发酵耦合266
5.1.5.3膜固定化细胞反应器的原理和应用267
5.1.5.4挥发性产物的回收与发酵耦合267
5.1.5.5吸附发酵268
5.1.6高细胞密度培养268
5.1.6.1研究应用概况269
5.1.6.2达到高细胞密度的手段269
5.1.6.3存在问题270
5.1.6.4成功范例270
5.1.7混合或共培养系统270
5.1.8固态发酵271
5.1.9动物细胞培养271
5.2发酵条件的影响及其控制272
5.2.1培养基对发酵的影响273
5.2.1.1养分的需求273
5.2.1.2生长能量学对产物形成的影响275
5.2.1.3碳和能量限制275
5.2.1.4氮或硫限制对产物合成的影响277
5.2.1.5钾限制对产物形成的影响278
5.2.1.6磷、镁或铁限制对产物形成的影响279
5.2.1.7基质浓度对发酵的影响及其控制279
5.2.1.8培养基的优化280
5.2.2灭菌情况283
5.2.3种子质量283
5.2.3.1接种菌龄283
5.2.3.2接种量283
5.2.4温度对发酵的影响284
5.2.4.1温度对产物合成的影响284
5.2.4.2*适温度的选择284
5.2.5pH的影响285
5.2.5.1发酵过程中pH变化的规律285
5.2.5.2培养基pH对初级代谢产物合成的影响285
5.2.5.3*适pH的选择286
5.2.5.4pH的监控287
5.2.6氧的供需对发酵的影响及其控制288
5.2.6.1临界氧289
5.2.6.2溶氧作为发酵异常的指示290
5.2.6.3溶氧的控制291
5.2.6.4溶氧参数在过程控制方面的应用293
5.2.6.5通过溶氧的控制提高产物合成的事例294
5.2.7二氧化碳和呼吸商296
5.2.7.1CO2对发酵的影响296
5.2.7.2呼吸商与发酵的关系298
5.2.8加糖和补料对发酵的影响及其控制299
5.2.8.1补料的策略299
5.2.8.2补料的判断和依据301
5.2.8.3补料的优化303
5.2.9比生长速率的影响与控制304
5.2.9.1程序控制器/反馈补偿器系统305
5.2.9.2谷胱甘肽306
5.2.9.3酿酒酵母306
5.2.9.4其他产物306
5.2.10混合效果307
5.2.10.1斜6平叶涡轮式搅拌器及不同进料方式307
5.2.10.2栅桨式搅拌器307
5.2.10.3各种搅拌器的组合及反应器流场分布特性对产物形成的影响308
5.2.10.4流变学的测量309
5.2.10.5计算流体动力学分析在生物反应器中的应用310
5.2.11超声波、微波、磁场、电流对发酵的影响310
5.2.11.1超声波310
5.2.11.2微波311
5.2.11.3磁场311
5.2.11.4电流311
5.2.12氧化还原电位对发酵的影响311
5.2.13过程参数对丝状菌形态与产物合成的影响312
5.2.13.1种子与菌球的形成313
5.2.13.2培养基组成对菌形态的影响313
5.2.13.3碳源的影响313
5.2.13.4氮源与磷酸盐对形态与生产的影响313
5.2.13.5金属离子与形态的关系314
5.2.13.6溶氧的影响314
5.2.13.7溶解CO2的影响314
5.2.13.8培养液pH与形态的关系315
5.2.13.9温度的影响315
5.2.13.10机械应力的作用315
5.2.13.11真菌的形态与培养液的流变性317
5.2.13.12真菌发酵的形态特征的描述317
5.2.13.13真菌发酵中的生长与产物形成的模型318
5.2.14发酵过程参数的相关分析319
5.2.15发酵规模的缩小与放大320
5.3泡沫对发酵的影响及其控制320
5.3.1泡沫的产生及其影响320
5.3.2发酵过程中泡沫的消长规律321
5.3.3泡沫的控制321
5.3.3.1机械消泡322
5.3.3.2消泡剂消泡322
5.3.3.3消泡剂的应用322
5.4发酵终点的判断与自溶的监测323
5.4.1发酵终点的判断323
5.4.2补料分批培养中生产经济上的优化324
5.4.3自溶的监测324
5.4.3.1细胞的老化与自溶324
5.4.3.2发酵后期菌自溶的监测325
5.4.4影响自溶的因素326
5.5发酵染菌的防治及处理326
5.5.1染菌的途径分析327
5.5.2染菌的判断和防治327
5.5.3生产技术管理对染菌防止的重要性328
5.6基因工程菌在生物工程中的应用329
5.6.1源自克隆基因的蛋白329
5.6.1.1人血清白蛋白基因的合成及其表达329
5.6.1.2胰岛素329
5.6.1.3生长激素330
5.6.1.4促红细胞生成素331
5.6.1.5人β2糖蛋白331
5.6.1.6白细胞介素331
5.6.1.7GFP融合监测法在在线优化中的应用332
5.6.1.8重组人载脂蛋白332
5.6.2干扰素332
5.6.2.1高密度细胞培养的策略332
5.6.2.2重组菌的高密度培养和α-干扰素的表达333
5.6.2.3酿酒酵母的高密度培养及人免疫干扰素的表达333
5.6.3氨基酸334
5.6.3.1基因技术在氨基酸生产方面的应用334
5.6.3.2利用重组大肠杆菌生产色氨酸335
5.6.4肌苷酸和鸟苷酸335
5.6.5微生物多糖337
5.6.6植酸酶337
5.6.7S-腺苷-L-甲硫氨酸337
思考题338
参考文献338


6发酵过程参数检测与计算机监控345
6.1发酵过程参数监控的研究概况345
6.1.1设定参数346
6.1.2状态参数346
6.1.3间接参数347
6.1.4发酵样品的离线分析348
6.2生物过程控制的特征348
6.2.1对生物过程控制规范化的要求349
6.2.2在线发酵仪器的研究进展349
6.2.3计算机在发酵监控方面的应用352
6.3用于控制的生物过程建模352
6.3.1传统过程模型353
6.3.2线性黑箱模型354
6.3.3非线性黑箱模型354
6.3.4生产过程建模355
6.4发酵过程估算技术356
6.4.1传统的基于模型的估算357
6.4.2基于线性黑箱模型的估算357
6.4.3基于非线性黑箱模型的估算358
6.5发酵过程的控制策略358
6.5.1发酵过程的PID控制358
6.5.2发酵过程的推理控制359
6.5.3发酵过程的适应性(预估)控制359
6.5.4发酵过程的非线性控制360
6.5.5发酵过程的优化控制360
6.5.6用于发酵监督与控制的知识库系统360
6.5.7工业规模的发酵故障分析系统362
6.6用于发酵诊断和控制的数据分析362
6.6.1发酵测量与估算变量分类362
6.6.1.1生物过程的输入-输出表示法362
6.6.1.2计算关联364
6.6.1.3动态过程代谢状态的在线化学计量与鉴别364
6.6.2代谢速率的计算366
6.6.2.1普通平衡方程366
6.6.2.2消耗速率366
6.6.2.3生产速率369
6.6.3不能直接测量的生物过程参数的估算372
6.6.3.1概念和实例介绍372
6.6.3.2估算方法373
6.6.3.3用观察器进行状态估算379
6.6.3.4不同技术的评估382
6.6.4积分与平均数量的计算382
6.6.4.1积分变量382
6.6.4.2平均变量382
6.6.5生理状态变量的计算383
6.6.5.1生理状态变量的分类383
6.6.5.2生理状态细胞水平级的监测方法385
6.6.5.3生理状态控制结构386
6.6.5.4整合转录轮廓与代谢物轮廓信息指导发酵生产过程387
6.7基于模式识别技术的新方法391
6.7.1模式识别的好处391
6.7.2模式识别方法与数据分析391
6.7.3用于监控的时序的量变曲线分析393
6.7.4结论397
思考题398
参考文献398