發(fā)酵過程優(yōu)化原理與技術

第一章 緒論1
第一節(jié) 發(fā)酵工程在工業(yè)生物技術系統(tǒng)中的地位及其研究內容1
一、發(fā)酵工程處于工業(yè)生物技術體系的核心地位1
二、發(fā)酵工程的研究內容2
三、發(fā)酵過程優(yōu)化的研究內容4
第二節(jié) 發(fā)酵過程優(yōu)化技術的研究與應用現(xiàn)狀5
一、發(fā)酵過程優(yōu)化是生物反應工程的研究前沿之一5
二、基于微生物功能理解的發(fā)酵過程優(yōu)化技術6
三、高生產率和高細胞密度發(fā)酵7
四、發(fā)酵過程建模與控制策略11
參考文獻14
第二章 基于微生物反應計量學的培養(yǎng)環(huán)境優(yōu)化技術15
第一節(jié) 微生物的營養(yǎng)與生理特性15
一、微生物的營養(yǎng)需求與營養(yǎng)類型15
二、營養(yǎng)物質進入細胞的方式17
三、微生物代謝20
第二節(jié) 微生物代謝體系與營養(yǎng)環(huán)境條件之間的關系22
一、微生物對環(huán)境的適應22
二、常用的培養(yǎng)環(huán)境優(yōu)化方法25
三、遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡用于培養(yǎng)環(huán)境的優(yōu)化30
第三節(jié) 營養(yǎng)與環(huán)境條件對光滑球擬酵母過量合成丙酮酸的影響32
一、酵母粉質量濃度對丙酮酸發(fā)酵的影響33
二、蛋白胨質量濃度對丙酮酸發(fā)酵的影響33
三、豆餅水解液和無機氮源對丙酮酸發(fā)酵的影響33
四、分批培養(yǎng)中供氧方式和培養(yǎng)基碳氮比對丙酮酸發(fā)酵的影響34
五、葡萄糖流加培養(yǎng)中氮的供給對丙酮酸發(fā)酵的影響35
六、關于培養(yǎng)基對丙酮酸發(fā)酵的影響需要考慮的問題37
第四節(jié) 產朊假絲酵母發(fā)酵生產谷胱甘肽的營養(yǎng)及環(huán)境條件38
一、碳源種類對谷胱甘肽發(fā)酵的影響38
二、氮源種類對谷胱甘肽發(fā)酵的影響39
三、混合無機氮源對谷胱甘肽發(fā)酵的影響40
四、磷酸二氫鉀和硫酸鎂對谷胱甘肽發(fā)酵的影響40
五、谷胱甘肽發(fā)酵的營養(yǎng)條件正交優(yōu)化實驗41
六、環(huán)境條件對谷胱甘肽發(fā)酵的影響42
七、CutilisWSH0208生產谷胱甘肽的搖瓶發(fā)酵過程43
八、搖瓶分批補糖方式對谷胱甘肽發(fā)酵的影響43
第五節(jié) 氨基酸與表面活性劑在谷胱甘肽過量合成中的作用44
一、L谷氨酸添加對谷胱甘肽發(fā)酵的影響45
二、甘氨酸添加對谷胱甘肽發(fā)酵的影響46
三、L半胱氨酸在谷胱甘肽過量合成中的作用46
四、表面活性劑對細胞生長的影響50
五、低濃度離子型表面活性劑對谷胱甘肽合成的影響51
六、高濃度離子型表面活性劑對谷胱甘肽胞外積累的影響52
七、非離子型表面活性劑對谷胱甘肽合成的影響53
第六節(jié) 調配維生素供給方式強化丙酮酸生產的過程功能54
一、補加維生素對細胞生長和丙酮酸合成的影響55
二、維生素濃度對細胞生長和丙酮酸合成的影響56
三、維生素指數(shù)流加對細胞生長和丙酮酸合成的影響57
四、分步指數(shù)流加維生素策略的提出58
參考文獻59
第三章 基于微生物代謝特性的分階段培養(yǎng)技術60
第一節(jié) 發(fā)酵過程中微生物的代謝特性60
一、微生物細胞的主要代謝途徑60
二、微生物代謝調節(jié)的特性65
三、基于微生物代謝特性的發(fā)酵過程控制與優(yōu)化66
第二節(jié) 透明質酸高效生產的攪拌與溶氧濃度控制策略71
一、發(fā)酵體系的流變學特性與傳質性能71
二、攪拌轉速對透明質酸發(fā)酵過程的影響75
三、溶氧濃度對發(fā)酵生產透明質酸的影響79
四、透明質酸發(fā)酵的攪拌與溶氧濃度控制策略80
五、氧代謝途徑及其影響透明質酸合成的作用機制80
第三節(jié) 谷氨酰胺轉胺酶分批發(fā)酵的pH及溫度控制策略82
一、控制不同pH對發(fā)酵過程的影響82
二、pH對細胞比生長速率及MTG比合成速率的影響84
三、MTG發(fā)酵過程中pH值優(yōu)化控制策略85
四、不同溫度下的MTG分批發(fā)酵過程85
五、溫度對細胞生長及產酶的影響87
六、MTG分批發(fā)酵過程分階段溫度控制策略88
第四節(jié) 丙酮酸分批發(fā)酵的供氧控制模式89
一、丙酮酸分批發(fā)酵過程的溶氧變化情況89
二、不同kLa下WSHIP303發(fā)酵生產丙酮酸的動力學特征90
三、分階段供氧控制模式的提出和實驗驗證91
參考文獻94
第四章 基于反應動力學模型的優(yōu)化技術96
第一節(jié) 發(fā)酵過程中動力學模型概述96
一、微生物生長的非結構動力學模型96
二、微生物產物形成動力學模型100
三、多底物動力學101
第二節(jié) 聚羥基丁酸分批發(fā)酵過程動力學模型及優(yōu)化102
一、不同供氧水平對PHB發(fā)酵過程的影響103
二、不同初糖濃度對PHB發(fā)酵過程的影響104
三、PHB分批發(fā)酵過程分析和控制107
四、PHB分批發(fā)酵動力學108
五、PHB分批發(fā)酵過程動力學的分析111
第三節(jié) 透明質酸分批發(fā)酵動力學及過程模型化112
一、理論與模型建立113
二、乳酸對透明質酸發(fā)酵的影響115
三、動力學模型參數(shù)的求解116
四、動力學模型的適用性117
五、功能單元的酶學一致性117
第四節(jié) 基于動力學模型強化丙酮酸生產的過程功能120
一、基于葡萄糖濃度的丙酮酸分批發(fā)酵動力學模型120
二、基于動力學模型調控溫度強化丙酮酸發(fā)酵的過程功能126
第五節(jié) 賴氨酸流加發(fā)酵與連續(xù)培養(yǎng)的最優(yōu)控制132
一、初糖濃度對發(fā)酵的影響133
二、溶氧對發(fā)酵的影響133
三、pH對發(fā)酵的影響135
四、發(fā)酵過程的溶氧與pH控制136
五、賴氨酸分批發(fā)酵動力學138
六、分批發(fā)酵動力學模型的評價141
七、分批發(fā)酵的模型分析142
參考文獻143
第五章 基于代謝通量分析的優(yōu)化技術144
第一節(jié) 代謝物及其通量分析在發(fā)酵過程中的應用144
一、微生物代謝物及代謝組學144
二、微生物代謝物分析實驗的注意事項145
三、工業(yè)微生物代謝物分析平臺147
四、代謝物分析在工業(yè)微生物學中的應用148
五、代謝物分析在發(fā)酵過程優(yōu)化中的應用151
第二節(jié) 丙酮酸發(fā)酵過程的代謝網(wǎng)絡分析152
一、代謝網(wǎng)絡構建和代謝通量計算152
二、不同硫胺素濃度和不同DOT下的分批發(fā)酵結果156
三、不同硫胺素濃度和不同DOT下NADPH的產生與消耗159
四、不同硫胺素濃度和不同DOT下NADH的產生與消耗159
五、不同硫胺素濃度和不同DOT下ATP的產生與消耗160
六、幾個其他問題161
第三節(jié) 谷胱甘肽分批發(fā)酵過程代謝網(wǎng)絡分析164
一、CutilisWSH0208分批生產谷胱甘肽的代謝網(wǎng)絡164
二、代謝通量的計算168
三、谷胱甘肽分批發(fā)酵不同階段的代謝通量分布168
四、分階段溫度控制策略下的代謝通量分布171
五、L半胱氨酸的添加對代謝通量分布的影響171
第四節(jié) 谷氨酰胺轉胺酶分批發(fā)酵過程中氨基酸代謝流分析172
一、理論分析172
二、MTG分批發(fā)酵過程分析175
三、游離氨基酸對MTG發(fā)酵的影響177
四、銨離子的解交聯(lián)作用178
參考文獻179
第六章 基于環(huán)境脅迫的優(yōu)化技術181
第一節(jié) 環(huán)境脅迫對微生物生理的影響181
一、工業(yè)微生物遇到的主要環(huán)境脅迫181
二、工業(yè)微生物抵御非生宜環(huán)境的生理系統(tǒng)184
三、提高工業(yè)微生物對非生宜環(huán)境適應能力的策略186
第二節(jié) 谷胱甘肽保護乳酸乳球菌抵抗氧、酸和冷凍脅迫187
一、半胱氨酸對乳酸乳球菌好氧生長的影響188
二、GSH對乳酸乳球菌NZ9000抵抗H2O2氧脅迫抗性的影響189
三、不同生長時期的乳酸乳球菌NZ9000對H2O2脅迫的抗性190
四、GSH對乳酸乳球菌NZ9000抵抗甲萘醌引發(fā)的氧脅迫抗性的影響190
五、GSH對乳酸乳球菌NZ9000抵抗高劑量甲萘醌引發(fā)的短時間氧脅迫抗性的影響191
六、GSH對乳酸乳球菌NZ9000的SodA缺失的互補作用192
七、GSH在乳酸乳球菌NZ9000SodA突變株中的生產193
八、GSH對乳酸乳球菌NZ9000SodA突變株好氧生長的影響193
九、GSH對乳酸乳球菌NZ9000SodA突變株抵抗氧脅迫抗性的影響194
十、GSH在乳酸乳球菌SK11中的生產194
十一、GSH對乳酸乳球菌SK11生長的影響195
十二、GSH對乳酸乳球菌SK11氧脅迫抗性的影響197
十三、GSH對乳酸乳球菌SK11酸脅迫抗性的影響197
十四、乳酸乳球菌SK11(pNZ9530/pNZ3203)和乳酸乳球菌SK11(pNZ9530/pNZ8148)
發(fā)酵液中NH+4濃度的比較198
第三節(jié) 活性氧脅迫促進BacillusspF26過量合成過氧化氫酶198
一、不同濃度H2O2在無細胞培養(yǎng)液中濃度變化曲線199
二、初始添加不同濃度H2O2對CAT合成的影響199
三、培養(yǎng)不同時期添加H2O2對CAT合成的影響199
四、發(fā)酵罐中不同濃度H2O2持續(xù)脅迫下BacillusspF26的應激響應201
五、H2O2不同流加方式對細胞生長和CAT合成的影響205
六、添加甘露醇對H2O2脅迫下細胞生長和CAT合成的影響207
七、超氧陰離子自由基（O-2·）脅迫對CAT合成的影響208
八、不同濃度甲萘醌對CAT和SOD合成及細胞生長的影響210
九、不同濃度外源O-2·對CAT和SOD合成的影響210
十、發(fā)酵罐中不同濃度甲萘醌持續(xù)脅迫下BacillusspF26的應激響應211
十一、溶氧濃度對BacillusspF26對甲萘醌氧化脅迫響應的影響213
第四節(jié) pH脅迫作用促進產朊假絲酵母生產谷胱甘肽216
一、pH控制對谷胱甘肽發(fā)酵的影響217
二、發(fā)酵24h時施加低pH脅迫對GSH發(fā)酵過程的影響218
三、低pH對細胞活力及GSH胞外積累的影響218
四、低pH脅迫及補料策略對GSH發(fā)酵的影響219
第五節(jié) 提高光滑球擬酵母耐受滲透壓能力加強丙酮酸生產221
一、耐受高濃度氯化鈉突變株的選育221
二、氯化鈉、山梨醇濃度對Tglabrata生長及發(fā)酵生產丙酮酸的影響222
三、連續(xù)培養(yǎng)篩選耐高滲突變株223
四、氯化鈉濃度對突變株與出發(fā)菌株的影響223
五、高葡萄糖濃度對突變株與出發(fā)菌株發(fā)酵生產丙酮酸的比較224
參考文獻225
第七章 基于輔因子調控的優(yōu)化技術226
第一節(jié) 輔因子種類及其生理作用概述226
一、工業(yè)微生物中ATP調控策略與應用227
二、工業(yè)微生物中NADH的代謝調控229
三、工業(yè)微生物中乙酰輔酶A及其衍生物的代謝調控233
四、輔因子工程優(yōu)化技術在發(fā)酵過程優(yōu)化中的應用展望236
第二節(jié) 調節(jié)ATP濃度調控糖酵解速率237
一、外源抑制劑降低電子傳遞鏈對Tglabrata能量代謝和酵解的影響237
二、F0F1ATPase活性降低突變株的獲得239
三、降低F0F1ATPase活性對Tglabrata能量代謝和酵解的影響241
四、ATP水平對糖酵解途徑的影響243
第三節(jié) 調節(jié)NADH濃度調控丙酮酸生產強度246
一、煙酸對糖酵解速率的影響248
二、改變NADH氧化途徑加速葡萄糖消耗248
三、低溶氧下提高ADH活性加速葡萄糖消耗250
四、表達NADH氧化酶對光滑球擬酵母NADH代謝的影響253
第四節(jié) 調控乙酰CoA庫促進α酮戊二酸過量積累258
一、過量表達acs2提高Tglabrata胞內乙酰CoA水平促進αKG合成259
二、過量表達pdc1提高Tglabrata胞內乙酰CoA水平促進α酮戊二酸合成262
第五節(jié) 維生素在調控光滑球擬酵母中碳代謝流中的重要作用265
一、調節(jié)維生素水平阻斷碳流于丙酮酸節(jié)點266
二、提高硫胺素濃度增加丙酮酸脫氫酶途徑代謝通量266
三、提高生物素濃度增加丙酮酸羧化酶途徑代謝通量268
四、碳酸鈣對碳代謝流流向和通量大小的影響268
五、同時增加PDH和PC途徑代謝通量對代謝流分布的影響269
六、維生素和金屬元素調控碳代謝流的重要作用269
第六節(jié) 金屬離子對γCGT酶生產的促進和細胞能量代謝的影響270
一、鎂、錳、鋅的添加對γCGT酶合成的影響271
二、鎂、錳、鋅的不同添加方式對細胞生長的影響272
三、發(fā)酵過程中鎂、錳、鋅的消耗情況272
四、鎂、錳、鋅添加對發(fā)酵過程中總糖消耗的影響273
五、不同金屬離子添加方式對胞內ATP和ADP含量的影響274
六、金屬離子對微生物的生理作用274
參考文獻275
第八章 生物反應系統(tǒng)優(yōu)化技術276
第一節(jié) 系統(tǒng)優(yōu)化技術概述276
第二節(jié) ATP再生系統(tǒng)及其在谷胱甘肽生物合成中的應用277
一、ATP再生系統(tǒng)277
二、ATP再生和谷胱甘肽生物合成的耦合系統(tǒng)281
三、生物合成谷胱甘肽種間耦合ATP再生系統(tǒng)的構建286
第三節(jié) 生物反應與產物分離的組合系統(tǒng)289
一、隨程溶劑萃取290
二、滲透萃取291
三、滲透蒸發(fā)291
四、其他生物反應與產物分離技術292
五、生物反應與產物分離組合系統(tǒng)的發(fā)展趨勢294
參考文獻294