发酵过程优化原理与技术

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utilisWSH02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utilisWSH02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Bacillussp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Bacillussp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BacillusspF26的应激响应211

十一、溶氧浓度对Bacillussp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

以获得高产量、高底物转化率和高生产强度相对统一为目标的发酵过程优化技术，是工业生物技术的关键核心。《发酵过程优化原理与技术》是作者在完成10多项国家科研项目的基础上，选择工业生物技术中具有代表性的微生物（细菌、放线菌、霉菌和酵母），代谢特征、营养要求、培养条件和产品特性大相径庭的工业生物技术产品为研究对象，综合运用微生物反应计量学、生化反应和传递动力学、生物反应器工程以及代谢工程理论，从优化微生物自身基因型、调节胞内微环境和优化宏观环境三方面，针对发酵过程中微生物表现出的特殊生理状态进行优化，发展了综合考虑生物学、动力学和物理学现象的7种发酵过程优化技术。《发酵过程优化原理与技术》结合作者自身完成的和同行完成的研究实例，详尽阐明了这些优化控制技术的基本原理和应用策略，为读者开展相关研究提供分析问题和解决问题的思路与方法。

《发酵过程优化原理与技术》中选择工业生物技术中具有代表性的微生物，代谢特征、营养要求、培养条件和产品特性大相径庭的工业生的技术产品为研究对象，针对发酵过程中微生物表现出的特殊生理状态进行优化，发展了综合考虑生物学、动力学和物理学现象的7种发酵过程优化技术，包括：
　　基于微生物反应计量学的培养环境优化技术，基于微生物代谢特性的分阶段培养技术，基于反应动力学模型的优化技术，基于代谢通量分析的优化技术，基于环境胁迫的优化技术，基于辅因子调控的优化技术，基于生物反应系统的优化技术。