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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AUG249

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