現代工業發酵調控學（第二版）

《現代工業發酵調控學（第二版）》是2006年8月化學工業出版社出版的圖書，作者是儲炬、李友榮。

內容簡介

本書以工業發酵過程的調控為主線，將微生物的生理生化和分子生物學知識運用於闡述微生物的代謝調節與發酵規律。對微生物生長、基礎代謝、代謝調節以及次生代謝合成都做了深入的闡述，對發酵過程控制與最佳化、參數檢測與線上監控，做了全面的介紹。
本書適合作為發酵調控學、生物工藝學、工業微生物、工業生化、發酵工程、微生物製藥與抗生素工藝的專業教材。也可以作為醫藥、輕工、農林和師範專業的參考書。並可作為從事生物技術、生化工程、工業發酵方面的研究與生產人員的進修和參考的資半斗。

圖書目錄

1微生物生長與調節1

1.1微生物的生長1

1.1.1生長的形式1

1.1.1.1細菌的生長1

1.1.1.2酵母的生長2

1.1.1.3菌絲的生長3

1.1.1.4細胞群體的生長4

1.1.1.5細菌群體的生長周期4

1.1.2生長的測量6

1.1.2.1細胞數目的測量6

1.1.2.2細胞量的測量8

1.1.2.3菌濃的間接測量9

1.1.2.4生物量的線上測量12

1.1.3環境對生長的影響15

1.1.3.1物理環境15

1.1.3.2化學環境18

1.1.4生長的變數和約束22

1.1.4.1細胞的大分子成分22

1.1.4.2限制步驟22

1.1.4.3生長對能量的需求23

1.1.4.4微生物熱的釋放23

1.2細胞周期24

1.2.1染色體複製與細胞分裂的調節24

1.2.2染色體複製的啟動25

1.2.3細胞周期的研究方法25

1.2.3.1鏡檢法25

1.2.3.2同步培養(synchrony)法25

1.2.3.3同位素示蹤法25

1.2.4生長速率與細胞個子大

小的關係27

1.2.5生長速率對細胞內DNA含

量的影響27

1.2.6生長速率對細胞組分的影響29

1.3生長效率29

1.3.1得率係數（yieldcoefficient）29

1.3.1.1分子得率係數（molar

yieldcoefficient）29

1.3.1.2碳轉化效率（carbonconversion

efficiency）29

1.3.1.3以電子平均數為基準的得率Yavee-

（yieldperaverage

electron）30

1.3.1.4基於熱的產生的得率Ykcal（yield

basedonheatproduction）30

1.3.1.5以氧耗為基準的得率係數

（yieldintermsofO2

consumed）YO31

1.3.1.6基於ATP消耗的得率（yield

basedonATP

consumed）YATP31

1.3.2測定生長效率時應注意的

實際問題31

1.3.2.1分批與恆化培養32

1.3.2.2培養基組成32

1.3.2.3流出液的控制32

1.3.2.4取樣與代謝物的分析32

1.3.3基本代謝流——同化與異化32

1.3.4對細胞得率的化學計量限制32

1.3.5用於生物量形成的能量需求33

1.3.6細胞組分34

1.3.7碳源的運輸35

1.3.7.1糖的運輸35

1.3.7.2有機酸的運輸36

1.3.8呼吸效率36

1.3.9維持能與環境因素的關係37

1.3.9.1滲透壓37

1.3.9.2水活度37

1.3.9.3氧和二氧化碳分壓37

1.3.9.4溫度39

1.3.9.5pH39

1.3.9.6副產物對生長得率的影響40

1.4生長調節41

1.4.1菌絲頂端生長41

1.4.1.1菌絲頂端生長機制41

1.4.1.2泡囊如何在菌絲頂端聚集41

1.4.1.3菌絲生長過程41

1.4.2菌絲分枝規律42

1.4.2.1分枝的形成42

1.4.2.2菌絲生長單位43

1.4.3微生物生長分化的調節44

1.4.3.1極化生長的調節44

1.4.3.2菌絲分枝啟動的調節44

1.4.3.3菌絲空間分布的調節45

1.4.3.4鏈黴菌生長的調節45

1.5運輸過程46

1.5.1載體概念47

1.5.2溶質運輸的機制與能學47

1.5.3運輸動力學49

1.5.4大分子的運輸50

思考題51

參考文獻51

2微生物的基礎代謝53

2.1能量代謝原理53

2.1.1能量代謝的熱力學54

2.1.1.1熱力學第一定律和熱焓54

2.1.1.2熱力學第二定律和熵54

2.1.1.3測定自由能的方法55

2.1.2能量的產生與偶合56

2.1.2.1能量的產生56

2.1.2.2高能化合物57

2.1.2.3能量的偶合58

2.1.2.4用於細胞的能量轉換59

2.2微生物的分解代謝59

2.2.1葡萄糖分解代謝60

2.2.1.1酵解(EMP)途徑60

2.2.1.2己糖單磷酸支路(HMS)60

2.2.1.3恩特納多多羅夫(ED)

途徑61

2.2.1.4磷酸解酮酶(PK)途徑61

2.2.1.5各種葡萄糖分解途徑的

相互關係61

2.2.1.6三羧酸(TCA)循環61

2.2.1.7乙醛酸循環62

2.2.2多糖和單糖的利用62

2.2.3厭氧代謝過程63

2.2.3.1乙醇發酵63

2.2.3.2丙酮、丁醇、乙酸、丁酸

發酵64

2.2.3.3乳酸、丁二醇、甲烷發酵67

2.2.4脂肪酸,脂烴和芳香烴的氧化70

2.2.5氮的循環和胺基酸的降解70

2.2.5.1氮的循環70

2.2.5.2胺基酸的降解71

2.2.6硫的代謝72

2.2.7核苷酸的降解和有機磷的代謝73

2.2.8聚合物的氧化73

2.2.8.1澱粉73

2.2.8.2纖維素74

2.3微生物的組成代謝75

2.3.1C1的同化75

2.3.2分子氮的同化76

2.3.3硝酸鹽的同化77

2.3.4氨的同化78

2.3.5硫酸鹽的同化78

2.3.6胺基酸的生物合成78

2.3.6.1谷氨酸簇79

2.3.6.2天冬氨酸簇80

2.3.6.3芳香胺基酸簇81

2.3.6.4絲氨酸簇83

2.3.6.5丙氨酸簇83

2.3.6.6組氨酸的生物合成84

2.3.6.7經胺基酸途徑的含氮化合物

的生物合成84

2.3.7核苷酸的生物合成85

2.3.7.1核糖核苷酸的生物合成85

2.3.7.2脫氧核糖核苷酸的生物

合成86

2.3.7.3細菌對外源嘌呤和嘧啶鹼及

其核苷的利用88

2.3.8脂質的生物合成88

2.3.8.1脂肪酸的合成88

2.3.8.2不飽和脂肪酸的生物合成91

2.3.8.3磷脂的生物合成94

2.3.9聚類異戊二烯化合物的合成94

2.3.10甾類化合物94

2.3.11糖磷酸酯與糖核苷酸97

2.3.12多糖的生物合成98

思考題100

參考文獻100

3代謝調節與代謝工程102

3.1酶活性的調節103

3.1.1代謝調節的部位103

3.1.2共價修飾103

3.1.2.1可逆共價修飾103

3.1.2.2不可逆共價修飾104

3.1.3變構控制104

3.1.3.1協同作用104

3.1.3.2變構效應的由來106

3.1.3.3變構效應的解釋106

3.1.3.4變構調節的特徵107

3.1.4其他調節方式108

3.1.4.1締合與解離108

3.1.4.2競爭性抑制108

3.2酶合成的調節108

3.2.1誘導作用109

3.2.1.1誘導作用的分子水平的

機制109

3.2.1.2順序誘導作用110

3.2.1.3誘導物的種類與效率110

3.2.1.4誘導調節的克服111

3.2.1.5組成型突變株的獲得112

3.2.2分解代謝物阻遏112

3.2.2.1分解代謝物阻遏效應113

3.2.2.2分解代謝物阻遏的分子

機制113

3.2.2.3分解代謝物阻遏作用的

克服114

3.2.2.4耐分解代謝物阻遏的突

變株的獲得115

3.2.2.5氮分解代謝物的調節115

3.2.3反饋調節116

3.2.3.1反饋阻遏在分子水平上的

作用機制116

3.2.3.2反饋調節作用的消除117

3.2.3.3分離耐末端代謝產物調節的

突變株的方法118

3.2.3.4反饋抑制120

3.2.4分支途徑的調節方式120

3.2.4.1分支途徑中末端產物的

調節120

3.2.4.2微生物代謝調節機制的

多樣性122

3.2.5避開微生物固有代謝調節，過

量生產代謝產物123

3.2.5.1積累末端產物123

3.2.5.2細胞膜通透性的改變124

3.2.5.3能荷的調節125

3.2.5.4無機聚磷酸的代謝與

功能125

3.3代謝系統的分子控制機制126

3.3.1遺傳控制126

3.3.2DNA結合蛋白：激活劑與阻

遏物127

3.3.3雙組分調節系統128

3.3.4RNA水平的調節機制：衰減器

模型128

3.4代謝調節129

3.4.1糖代謝調節129

3.4.1.1巴斯德效應或氧效應129

3.4.1.2克列勃特里或葡萄糖效應132

3.4.2胺基酸合成的調節133

3.4.3核苷酸合成的調節134

3.4.3.1肌苷134

3.4.3.2鳥苷135

3.5代謝工程135

3.5.1概論135

3.5.2代謝流(物流、信息流)的

概念136

3.5.2.1有關術語136

3.5.2.2物流與酶的關係137

3.5.2.3物流限制作用的克服138

3.5.2.4反饋抑制與限制途徑物流的

關係138

3.5.3代謝物流分析139

3.5.3.1物流分布的測量139

3.5.3.2代謝物流分析的套用140

3.5.4代謝控制分析143

3.5.4.1物流控制分析的概念143

3.5.4.2節點及其判斷145

3.5.4.3代謝流的控制146

3.5.4.4代謝控制分析在代謝產物合

成方面的套用146

3.5.5代謝工程的套用147

3.5.5.1胞內代謝物的測量147

3.5.5.2基質譜的擴展148

3.5.5.3降解異型生物質的新代謝

途徑149

3.5.6推定代謝工程與反向代謝工程150

3.5.7重要工業微生物表型的進化

工程152

3.6系統生物學與組學研究概況152

3.6.1代謝工程的組學研究153

3.6.2導致細菌表型改進的基因組

改組155

思考題155

參考文獻156

4微生物次級代謝與調節159

4.1引論159

4.1.1微生物次級代謝的特徵159

4.1.2次級代謝產物的類型160

4.1.2.1糖類161

4.1.2.2多肽類161

4.1.2.3聚酯醯類161

4.1.2.4核酸鹼基類似物類162

4.1.2.5其他類型162

4.1.3抗生素的生源學162

4.1.4初級與次級代謝途徑相互連線162

4.2次級代謝物生物合成的前體163

4.2.1前體的概況163

4.2.1.1內源前體的來源164

4.2.1.2外源前體的來源167

4.2.2前體的作用169

4.2.2.1起抗生素建築材料作用169

4.2.2.2誘導抗生素生物合成的

作用169

4.2.2.3前體與誘導物的區別169

4.2.2.4研究前體作用的方法170

4.2.2.5新抗生素的定向生物合成170

4.2.3前體的限制性171

4.2.3.1前體合成的調節機制171

4.2.3.2前體導向抗生素的合成171

4.2.3.3添加前體的策略171

4.3次級代謝物的生物合成原理172

4.3.1把前體引入次級代謝物生物

合成的專用途徑172

4.3.2前體聚合作用過程172

4.3.3次級代謝物結構的後幾步修飾172

4.3.4複合抗生素中不同部分的裝配173

4.3.5次級代謝物合成酶的專一性173

4.4抗生素的生物合成174

4.4.1以短鏈脂肪酸為前體的抗生素174

4.4.1.1大環內酯類抗生素174

4.4.1.2四環類抗生素183

4.4.1.3蒽環類抗生素187

4.4.2以胺基酸為前體的抗生素187

4.4.2.1青黴素簇抗生素188

4.4.2.2頭孢菌素簇抗生素191

4.4.2.3其他β內醯胺類抗生素193

4.4.2.4肽類抗生素的生物合成195

4.4.3已經修飾的糖為前體的抗生素196

4.4.3.1鏈黴素的生物合成198

4.4.3.2氨基糖苷類抗生素的調節199

4.4.3.3次要組分的調控200

4.4.3.4調節因子200

4.4.3.5突變生物合成202

4.5微生物次級代謝作用的調控202

4.5.1微生物的次級代謝與其生命

活動的關係202

4.5.1.1次級代謝在微生物中所起

的作用202

4.5.1.2次級代謝與生長，分化的

關係203

4.5.2次級代謝產物生物合成的調節

與控制204

4.5.2.1參與抗生素合成作用的酶

的誘導及解除阻遏204

4.5.2.2抗生素生物合成啟動的

控制204

4.5.2.3碳源分解代謝物的調節206

4.5.2.4氮源分解代謝物的調節207

4.5.2.5磷酸鹽的調節作用208

4.5.2.6分解代謝產物對次級代謝

控制的作用部位210

4.5.2.7分解代謝產物對次級代謝

產物合成的胞內調控因子211

4.5.2.8抗生素生物合成的終止212

4.5.2.9人工克服微生物次級代謝

調控作用的限制213

4.5.2.10定向抗生素生物合成213

4.5.3基因工程在提高生產性能上的

套用213

4.5.3.1強化表達網路調控機構的

正向調節213

4.5.3.2改變表達體系214

4.5.3.3擴增抗生素產生菌的抗性

基因214

4.5.3.4提高編碼關鍵酶的基因

劑量214

4.5.3.5提高轉譯水平的表達效率216

4.5.3.6增強重組菌的生長能力216

4.5.3.7調節性啟動子216

4.5.3.8提高菌在限氧下的生長

與生產能力217

思考題218

參考文獻218

5發酵過程控制與最佳化221

5.1發酵過程技術原理221

5.1.1分批發酵221

5.1.1.1分批發酵的基礎理論221

5.1.1.2重要的生長參數223

5.1.1.3分批發酵的優缺點224

5.1.2補料分批發酵225

5.1.2.1理論基礎225

5.1.2.2分批補料的最佳化225

5.1.3半連續發酵226

5.1.4連續發酵227

5.1.4.1單級連續發酵的理論

基礎227

5.1.4.2多級連續培養228

5.1.4.3連續培養在工業生產中的

套用229

5.1.4.4連續培養中存在的問題229

5.1.5與產物回收結合的培養231

5.1.5.1膜分離與發酵偶合232

5.1.5.2溶劑萃取與發酵偶合236

5.1.5.3膜固定化細胞反應器的原

理和套用236

5.1.5.4揮發性產物的回收與發酵

偶合237

5.1.5.5吸附發酵237

5.1.6高細胞密度培養237

5.1.6.1研究套用概況237

5.1.6.2達到高細胞密度的手段238

5.1.6.3存在問題239

5.1.6.4進展與前景239

5.1.7混合或共培養系統239

5.1.8固態發酵239

5.2發酵條件的影響及其控制240

5.2.1培養基對發酵的影響241

5.2.1.1養分的需求241

5.2.1.2生長能量學對產物形成的

影響242

5.2.1.3碳和能量限制243

5.2.1.4氮或硫限制對產物合成的

影響245

5.2.1.5鉀限制對產物形成的影響245

5.2.1.6磷、鎂或鐵限制對產物形

成的影響246

5.2.1.7基質濃度對發酵的影響及

其控制247

5.2.1.8培養基的最佳化247

5.2.2滅菌情況250

5.2.3種子質量250

5.2.3.1接種菌齡250

5.2.3.2接種量250

5.2.4溫度對發酵的影響250

5.2.4.1溫度對產物合成的影響251

5.2.4.2最適溫度的選擇251

5.2.5pH的影響251

5.2.5.1發酵過程中pH變化的

規律251

5.2.5.2培養基pH對初級代謝

產物合成的影響252

5.2.5.3最適pH的選擇252

5.2.5.4pH的監控253

526氧的供需對發酵的影響及其

控制254

5261臨界氧254

5262溶氧作為發酵異常的指示255

5263溶氧的控制256

5264溶氧參數在過程控制方面

的套用259

5265通過溶氧的控制提高產物

合成的事例260

527二氧化碳和呼吸商262

5271CO2對發酵的影響262

5272呼吸商與發酵的關係263

528加糖，補料對發酵的影響及其

控制264

5281補料的策略264

5282補料的判斷和依據266

5283補料的最佳化267

529比生長速率的影響與控制269

5291程式控制器/反饋補償器

系統269

5292谷胱甘肽270

5293釀酒酵母270

5294對α澱粉酶的影響270

5210混合效果271

52101斜6平葉渦輪式攪拌器及

不同進料方式271

52102柵槳式攪拌器271

5211超音波、微波、磁場、電流對

發酵的影響272

52111超音波272

52112微波272

52113磁場272

52114電流272

5212氧化還原電位對發酵的影響273

5213菌絲生長形式對發酵的影響273

5214發酵過程參數的相關分析274

5215發酵規模的縮小與放大274

53泡沫對發酵的影響及其控制275

531泡沫的產生及其影響275

532發酵過程中泡沫的消長規律275

533泡沫的控制276

5331機械消沫276

5332消泡劑消沫276

5333消沫劑的套用277

54發酵終點的判斷與自溶的監測277

541發酵終點的判斷277

542補料分批培養中生產經濟上的

最佳化278

543自溶的監測278

544影響自溶的因素279

55發酵染菌的防治及處理279

551染菌的途徑分析279

552染菌的判斷和防治280

553生產技術管理對染菌防止的重

要性281

56基因工程菌培養與表達281

561源自克隆基因的蛋白281

5611人血清白蛋白基因的合成

及其表達282

5612胰島素282

5613生長激素282

5614促紅細胞生成素283

5615人β2糖蛋白283

5616白細胞介素283

5617GFP融合監測法在線上優

化中的套用284

562干擾素285

5621高密度細胞培養的策略285

5622重組菌的高密度培養和α

干擾素的表達285

5623釀酒酵母的高密度培養及人

免疫干擾素的表達285

563胺基酸286

5631基因技術在胺基酸生產方面的

套用成果286

5632利用重組大腸桿菌生產色

氨酸286

564肌苷酸和鳥苷酸288

565微生物多糖288

566植酸酶289

思考題289

參考文獻289

6發酵過程參數檢測與計算機監控293

61發酵過程參數監測的研究概況293

611設定參數293

612狀態參數293

613間接參數294

614發酵樣品的離線分析295

62生物過程控制的特徵296

621對生物過程控制規範化的要求296

622線上發酵儀器的研究進展297

623計算機在發酵監控方面的套用299

63用於控制的生物過程建模299

631傳統過程模型300

632線性黑箱模型301

633非線性“黑箱”模型301

634生產過程建模302

64發酵過程估算技術303

641傳統的基於模型的估算303

642基於線性黑箱模型的估算304

643基於非線性黑箱模型的估算304

65發酵過程的控制策略305

651發酵過程的PID控制305

652發酵過程的推理控制305

653發酵過程的適應性(預估)

控制306

654發酵過程的非線性控制306

655發酵的最佳化和最佳化控制307

656用於發酵監督與控制的知識庫

系統307

657工業規模的發酵故障分析系統308

66用於發酵診斷和控制的數據分析308

661發酵測量與估算變數分類309

6611生物過程的輸入輸出表

示法309

6612計算關聯311

6613動態過程代謝狀態的線上

化學計量與鑑別312

662代謝速率(生理變數，PVs)

的計算313

6621普通平衡方程313

6622消耗(吸收)速率313

6623生產速率316

663不能直接測量的生物過程參數

的估算317

6631概念和實例介紹317

6632估算方法318

6633用監察器進行狀態估算324

6634不同技術的評估327

664積分與平均數量的計算327

6641積分變數327

6642平均變數328

665生理狀態變數(PSVs)的

計算328

6651生理狀態變數的分類328

6652生理狀態細胞水平級的監

測方法330

6653生理狀態控制結構331

6654利用轉錄曲線與代謝物曲

線指導發酵生產過程332

67基於模式識別技術的新方法335

671模式識別的好處335

672模式識別方法與數據分析336

673用於監控的時序的量變曲線分析

(具體例子)338

68結論342

思考題342

參考文獻342