发酵过程优化原理与实践

几十年来，生物技术已经成为许多物质生产的经济、有效手段，这些物质包括青霉素等抗生素和柠檬酸等化学品。20世纪70年代DNA重组技术的出现给生物加工技术和产品带来了新的生机，由重组菌生产高价值的生物药品引起人们的广泛兴趣，与此同时，生物技术在其它方面的应用也日益增长。然而，任何一项生物技术的研究成果要从实验室走向产业化，都需要上、中、下游的密切配合。作为中游技术关键的发酵过程优化技术，不但关系到能否发挥菌种的最大生产性能，而且会影响下游处理的难易程度，因而发酵过程优化技术在整个生物产品的开发过程中起着特别重要的作用。
虽然国内外学术期刊每年都发表大量关于发酵过程优化的研究报告，但对发酵过程优化原理进行系统介绍的专著尚不多见。在借鉴了国外过程优化理论最新研究成果的基础上，本书提出了系统优化的新理论，并通过作者自身完成的研究实例对系统优化的原理进行了详细阐述，还引入了代谢工程领域最新的代谢网络构建与速率分析方法。因此，写作本书的目的是阐述对发酵过程进行优化的基本原理和技术，并通过对特定产品发酵过程优化的分析，为读者开展类似研究提供分析问题和解决问题的思路与方法。生物产品的类别非常之多，但优化的思路和方法是可以通用或借鉴的。在这一方面，作者相信本书会对读者产生积极的影响。
作者撰写此书，一方面得益于作者所工作的学院为国家发酵工程重点学科点，从1952年开始积累的发酵过程优化科学研究与工程实践的经验，是作者从学生时代到留校工作一直能够生存和生长的学术土壤；另一方面受助于作者所在研究室许多年轻的博士和硕士，他们和作者一起完成了与本书内容相关的6项国家级和部省级科研项目，包括国家自然科学基金项目、国家“八五”科技攻关项目、教育部优秀青年教师基金项目、原轻工总会科技基金项目、霍英东教育基金会青年教师科研基金项目、江苏省“九五”工业重大科技攻关项目，并撰写了5篇博士学位论文和2篇硕士学位论文，而这些学位论文正是本书的主体。此外，作者还得到了教育部跨世纪优秀人才培养计划的资助。
负责本书中部分章节写作的有：宫衡(第四章)，高海军(第六章)，郑美英(第七章)，堵国成(第八章)。参与本书写作的还有：李华钟、金大勇(第三章)，卫功元(第二章)。作者特别感谢中国工程院院士、江南大学(原无锡轻工大学)生物工程学院伦世仪教授的鼓励和指导，感谢所在研究室的博士、硕士研究生给予的帮助。
尽管作者力图在本书中注重结合理论性和实践性，突出系统性和科学性，体现前沿性和创新性，但限于作者的学术功底、研究经验和写作能力，书中定有不少错误。若蒙赐教，不胜感激!

作者
2001年7月

本书对发酵过程优化的原理和技术进行了系统介绍.作者借鉴国外过程优化理论的研究成果

第一章绪论１
第一节发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容１
一、发酵过程优化在生物工业中的地位１
二、发酵过程优化的研究内容１
第二节发酵过程优化的研究进展３
一、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之一３
二、流加发酵４
三、高生产率和高细胞密度发酵７
参考文献１１
第二章发酵过程优化原理１２
第一节发酵过程优化的微生物反应原理１２
一、概述１２
二、微生物生长反应１２
第二节发酵过程数量化方法２０
一、数量化方法的基础２０
二、发酵过程的速度２２
三、化学计量学和热力学２４
第三节微生物反应动力学２８
一、微生物生长的非结构动力学模型２９
二、微生物产物形成动力学模型３２
三、多底物动力学３４
第四节微生物反应优化的一般原理３５
一、发酵过程优化的一般步骤３５
二、分批微生物反应过程的优化３６
参考文献３９
第三章生物反应过程的系统优化技术４０
第一节系统优化技术概述４０
一、系统的定义４０
二、系统的形态４０
三、系统的特征４１
四、系统优化方法的基本原则４２
第二节ATP再生系统及其在谷胱甘肽生物合成中的应用４３
一、ATP再生系统４３
二、ATP再生和谷胱甘肽生物合成的耦合系统４８
三、生物合成谷胱甘肽种间耦合ATP再生系统的构建５３
第三节有机废水处理和聚羟基烷酸生产的耦合系统５７
一、实验装置５９
二、有机废水生产PHAs的初步研究５９
三、Reutrophus利用不同有机酸生产PHAs的比较研究６０
四、有机废水生产PHAs的机理６２
五、有机废水厌氧酸化的最佳工艺条件６４
六、PHAs分批发酵６６
七、以有机废水酸化产物为底物进行PHAs流加发酵６９
第四节生物反应与产物分离的组合系统７０
一、随程溶剂萃取７１
二、渗透萃取７２
三、渗透蒸发７３
四、其它生物反应与产物分离技术７３
五、生物反应与产物分离组合系统的发展趋势７６
参考文献７６
第四章赖氨酸发酵过程优化７７
第一节赖氨酸发酵概述７７
一、发酵法生产赖氨酸技术的发展７７
二、赖氨酸发酵研究的目的和主要内容７９
第二节赖氨酸生产菌FB42的获得８１
一、出发菌株FB21的遗传特性８１
二、FB31菌株摇瓶发酵性能的初步研究８２
三、赖氨酸产生菌FB42的获得８４
四、环境因子对FB42分泌赖氨酸的影响８６
五、响应面分析法优化FB42菌株发酵培养基８８
第三节连续培养中FB42菌株的动力学特性及其代谢流分析９０
一、连续培养中的操作特性９１
二、连续培养中赖氨酸发酵的动力学特性９３
三、FB42的真实转化率９４
四、赖氨酸发酵的最大理论转化率９５
五、黄色短杆菌FB42的代谢流分析９９
第四节分批发酵过程的控制及分批发酵动力学１００
一、初糖浓度对发酵的影响１００
二、溶氧对发酵的影响１０１
三、pH对发酵的影响１０２
四、发酵过程的溶氧与pH控制１０３
五、赖氨酸分批发酵动力学１０６
六、分批发酵动力学模型的评价１１０
七、分批发酵的模型分析１１１
第五节赖氨酸流加发酵的最优控制１１２
一、最小值原理简介11３
二、连续系统的最小值原理１１４
三、流加发酵系统的最优化问题１１５
四、流加发酵最优控制的算法１１６
五、赖氨酸流加发酵的优化控制１２０
参考文献１２８
第五章丙酮酸发酵过程优化１２９
第一节丙酮酸发酵概述１２９
一、国外研究水平和发展趋势１２９
二、发酵法生产丙酮酸研究中存在的问题１３３
第二节营养条件对光滑球拟酵母WSHIP12生产丙酮酸的影响１３５
一、酵母粉浓度对丙酮酸发酵的影响１３５
二、蛋白胨浓度对丙酮酸发酵的影响１３５
三、豆饼水解液和无机氮源对丙酮酸发酵的影响１３６
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１３６
五、葡萄糖流加培养中氮的供给对丙酮酸发酵的影响１３８
第三节维生素在丙酮酸过量合成中的重要作用１４１
一、突变株Tglabrata WSHIP303的获得及其氮源同化能力１４１
二、维生素对WSHIP303过量合成丙酮酸的影响１４３
三、维生素亚适量供给下的分批发酵过程１４６
第四节丙酮酸分批发酵的供氧控制模式１４９
一、丙酮酸分批发酵过程的溶氧变化情况１４９
二、不同kLa下WSHIP303发酵生产丙酮酸的动力学特征１４９
三、分阶段供氧控制模式的提出和实验验证１５１
第五节丙酮酸发酵过程的代谢网络分析１５４
一、代谢网络构建和代谢通量计算１５５
二、不同硫胺素浓度和不同DOT下的分批发酵结果１５９
三、不同硫胺素浓度和不同DOT下NADPH的产生与消耗１６２
四、不同硫胺素浓度和不同DOT下NADH的产生与消耗１６３
五、不同硫胺素浓度和不同DOT下ATP的产生与消耗１６４
第六节丙酮酸发酵的逐级放大和中间试验１６８
一、30 L发酵罐中葡萄糖浓度对WSHIP303菌株生产丙酮酸的影响１６８
二、300 L规模的丙酮酸发酵试验１７０
三、5 m3规模丙酮酸发酵中试１７０
参考文献１７０
第六章透明质酸发酵过程优化１７２
第一节透明质酸发酵概述１７２
一、透明质酸的分布、结构、性质与应用１７２
二、透明质酸的生物合成１７３
三、透明质酸的生产１７５
四、透明质酸生产中需要解决的问题１７７
第二节透明质酸摇瓶的发酵条件１７８
一、种子培养基组成及培养条件对透明质酸发酵的影响１７９
二、种子生长过程曲线和种龄１８１
三、发酵培养基组成对透明质酸发酵的影响１８１
四、培养条件对透明质酸发酵的影响１８４
五、透明质酸摇瓶发酵过程曲线１８５
六、透明质酸摇瓶补料发酵实验１８５
第三节分批发酵生产透明质酸的条件１８６
一、初糖浓度对透明质酸发酵的影响１８６
二、pH对透明质酸发酵的影响１８８
三、温度对透明质酸发酵的影响１８９
四、搅拌转速对透明质酸发酵的影响１９０
五、通气量对透明质酸发酵的影响１９０
六、分批发酵培养条件的优化与控制１９１
第四节透明质酸分批发酵动力学及分批发酵过程模型化１９１
一、理论与模型建立１９１
二、乳酸对透明质酸发酵的影响１９４
三、动力学模型参数的求解１９４
四、动力学模型的适用性１９６
五、功能单元的酶学一致性１９６
第五节高效生产透明质酸的搅拌与溶氧浓度控制策略１９８
一、发酵体系的流变学特性与传质性能１９９
二、搅拌转速对透明质酸发酵过程的影响２０３
三、溶氧浓度对发酵生产透明质酸的影响２０７
四、透明质酸发酵的搅拌与溶氧浓度控制策略２０８
五、氧代谢途径及其影响透明质酸合成的作用机制２０８
第六节不同发酵模式生产透明质酸的组合操作与优化２１０
一、补料分批发酵优化理论２１０
二、重复分批发酵２１３
三、非优化补料分批发酵与分批发酵的比较２１４
四、奇异优化控制的补料发酵２１５
五、重复操作与优化补料组合发酵模式生产透明质酸２２０
第七节应用代谢工程方法高效生产透明质酸２２１
一、理论２２２
二、分批发酵不同阶段的代谢网络模型２２５
三、不同溶氧水平下透明质酸发酵的代谢网络模型２２７
四、代谢节点对透明质酸合成的影响２２８
五、透明质酸发酵过程中能量、还原力的需求与供给２３１
六、采用代谢工程方法高效生产透明质酸２３２
参考文献２３７
第七章谷氨酰胺转胺酶发酵过程优化２３８
第一节谷氨酰胺转胺酶发酵概述２３８
一、新型蛋白食品与谷氨酰胺转胺酶２３８
二、谷氨酰胺转胺酶的功能性质２３８
三、谷氨酰胺转胺酶在食品工业中的应用２３９
四、谷氨酰胺转胺酶的生产２４０
五、谷氨酰胺转胺酶生产过程中存在的问题２４１
第二节谷氨酰胺转胺酶的摇瓶发酵条件研究２４２
一、种子生长过程曲线及种龄２４３
二、环境条件对MTG摇瓶发酵过程的影响２４３
三、营养条件对MTG发酵过程的影响２４４
四、MTG合成的摇瓶发酵过程分析２４６
第三节谷氨酰胺转胺酶分批发酵的pH及温度控制策略２４７
一、控制不同pH对发酵过程的影响２４７
二、pH对细胞比生长速率及MTG比合成速率的影响２４８
三、MTG发酵过程中pH值优化控制策略２５０
四、不同温度下的MTG分批发酵过程２５０
五、温度对细胞生长及产酶的影响２５２
六、MTG分批发酵过程分阶段温度控制策略２５３
第四节搅拌及溶氧浓度对谷氨酰胺转胺酶发酵过程的影响２５４
一、搅拌转速对细胞生长及MTG酶活的影响２５５
二、溶氧浓度对细胞生长及MTG合成的影响２５７
三、搅拌及溶氧浓度控制模式２５８
四、MTG发酵体系的搅拌功率２５９
第五节茂原链轮丝菌的菌丝球形态与产酶之间的关系２６２
一、菌丝球形成过程的理论分析２６２
二、茂原链轮丝菌摇瓶种子菌丝状及菌球体状的形态２６４
三、培养条件对茂原链轮丝菌增殖形态及MTG发酵的影响２６４
四、MTG小罐发酵过程中菌球的形成过程２６９
五、菌球大小与产酶之间的关系２６９
六、控制菌球增殖形态的策略２７０
第六节谷氨酰胺转胺酶分批发酵过程中氨基酸代谢流分析２７１
一、理论分析２７１
二、MTG分批发酵过程分析２７５
三、游离氨基酸对MTG发酵的影响２７7
四、铵离子的解交联作用２７９
参考文献２８０
第八章聚羟基烷酸酯发酵过程优化282
第一节聚羟基烷酸酯发酵概述282
一、PHAs的结构、物理化学性质和应用282
二、PHAs的生物合成283
第二节真养产碱杆菌生产PHB摇瓶发酵条件290
一、PHB摇瓶发酵条件研究与补料优化290
二、PHB发酵过程中理论产率的计算295
第三节真养产碱杆菌连续培养动力学及二级连续培养系统生产聚羟基丁酸298
一、真养产碱杆菌一级连续培养动力学298
二、二级连续培养生产PHB的动力学分析301
三、二级连续培养系统中PHB的生产强度和PHB对葡萄糖的产率系数305
第四节聚羟基丁酸分批发酵过程动力学模型及优化306
一、不同供氧水平对PHB发酵过程的影响306
二、不同初糖浓度对PHB发酵过程的影响308
三、PHB分批发酵过程分析和控制312
四、PHB分批发酵动力学313
五、PHB分批发酵过程动力学的分析316
第五节聚羟基丁酸流加发酵条件318
一、氮源的限制、缺乏和恢复氮源供应对Reutrophus菌体生长和PHB合成
的影响318
二、葡萄糖的限制、缺乏和恢复供应对Reutrophus菌体生长和PHB合成的
影响320
三、限氧和恢复氧供应对菌体生长和PHB合成的影响322
四、培养过程中的不同停氮时间对PHB形成的影响324
五、PHB合成期不同的氮源流加速率对PHB合成的影响326
第六节聚羟基丁酸双底物流加发酵准优化控制策略330
一、菌体生长阶段的准优化331
二、PHB合成阶段的准优化333
第七节羟基丁酸与羟基戊酸共聚物发酵条件的优化342
一、PHBV摇瓶发酵条件342
二、2 L罐中PHBV流加发酵过程的准优化控制348
参考文献352
附录英文名称缩写中文对照354