發(fā)酵過程外界周期作用

前言

　　前言　　發(fā)酵是生物技術產品生產的關鍵過程，生物反應器是生物技術產品得以商業(yè)化生產的關鍵裝備，但是這些發(fā)酵和發(fā)酵設備的優(yōu)化和放大從20世紀40年代以來基本上是沿用化工放大的理論和手段，這些理論和手段沒有考慮到微生物和細胞所具有的生命特征，因而，其應用效果差，在對工藝和設備進行優(yōu)化和放大時難以取得理想效果，“優(yōu)化和放大是一門藝術而遠非科學”。最近的研究使研究者逐漸達到這樣的共識：細胞生理特性和傳遞特性相結合進行研究才是生物過程優(yōu)化和放大的研究方向。但是，需要回答一個關鍵問題：細胞的生理特性和傳遞特性如何結合？是通過傳統(tǒng)的剪切力還是法向力？通過我們的研究和思考，以法向力為基礎的周期作用力和細胞生理特性相結合用于生物過程優(yōu)化和放大的理論和手段逐漸形成。在本書中，我們想從以下幾個方面詳細展開以闡述這一理論及其應用。　　1?發(fā)酵過程原理：回顧經典的微生物生理、代謝、調控、分析理論和手段?！　??外界工程強化生物反應與傳遞過程原理：從傳統(tǒng)的剪切力和新奇的法向力(周期作用力)兩方面進行對比?！　??發(fā)酵過程周期作用原理的提出：回顧我們在建立這一理論的前期思考、理論來源、理論的形成過程、代表性的反應器設計。　　4?發(fā)酵工程周期作用原理解析：以大量的研究數(shù)據為基礎，以周期作用力對發(fā)酵過程的方方面面的影響為主要內容，向讀者展示周期作用力對發(fā)酵的影響?！　??發(fā)酵工程周期作用原理應用：向讀者展示這個原理在過程優(yōu)化、過程放大和反應器設計方面的作用。　　作者在此領域二十幾年工作的成效，得益于中國科學院過程工程研究所給予寬松自由的學術氛圍，使本人全身心投入到科研之中；作者在該領域的研究得到了國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃:2004CB719700、2011CB707400)和中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向性項目(KSCX1?YW?11A和KGCX2?YW?328)的資助。另外，我的二十幾位研究生的研究工作對本書編寫作出了重要貢獻，特別是參考了李宏強博士、李燕軍博士、張志國博士、彭小偉博士、段穎異碩士、張玉針碩士的學位論文，他們也參與了本書中部分章節(jié)寫作和許多文字工作。在本書編寫過程中，參考了大量國內外前輩和同行們撰寫的書籍和期刊論文資料，在此一并表示衷心的感謝?！　杏胁划斨帲\請讀者批評指正，并歡迎來函指導。　　陳洪章　　2011年11月　　于北京市中關村北二條1號(100190)　　中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室

內容概要

　　發(fā)酵是生物技術產品生產的關鍵過程，生物反應器是生物技術產品得以商業(yè)化生產的關鍵裝備，發(fā)酵過程和發(fā)酵設備的優(yōu)化和放大問題是長期困擾工程學家們的重要問題。本書作者通過研究和思考，提出以法向力為基礎的周期作用力和細胞生理特性相結合用于生物過程優(yōu)化和放大的理論和手段。
書中從以下幾方面詳細展開以闡述這一理論及其應用：發(fā)酵過程原理；外界工程強化生物反應與傳遞過程原理；發(fā)酵過程周期作用原理；發(fā)酵工程周期作用原理解析；發(fā)酵工程周期作用原理應用。
本書適合生化工程、生物工程、發(fā)酵工程、生物技術等相關專業(yè)的高校師生及相關研究人員參考閱讀。

作者簡介

　　陳洪章，中科院過程工程所研究員、博士生導師，生化工程國家重點實驗室副主任，國家“973”項目首席科學家。主要致力于纖維素生物技術研究，以新型固態(tài)發(fā)酵和原料組分分離為核心，充分吸收分子生物學和工業(yè)生態(tài)學的新思路，研究生態(tài)生化工程的學科基礎和關鍵技術平臺問題。

書籍目錄

第1章　緒論
　1.1　發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史
　　1.1.1　傳統(tǒng)發(fā)酵技術
　　1.1.2第一代微生物發(fā)酵技術
　　1.1.3　第二代微生物發(fā)酵技術
　　1.1.4　第三代微生物發(fā)酵技術
　1.2　發(fā)酵調控的理論基礎
　　1.2.1　微生物的代謝類型和自我調節(jié)
　　1.2.2　酶活性調節(jié)
　　1.2.3　能荷調節(jié)
　　1.2.4　代謝系統(tǒng)的分子調控機制
　　1.2.5　代謝調節(jié)
　　1.2.6　次級代謝與次級代謝調節(jié)
　　1.2.7　代謝工程
　1.3　微生物生理與代謝產物過量表達
　　1.3.1　微生物正常的代謝特征
　　1.3.2　微生物生理與過量表達的關系
　　1.3.3　發(fā)酵工程與微生物生理的關系
　1.4　代謝流分析技術
　　1.4.1　化學當量代謝流分析
　　1.4.2　13C代謝流分析
　1.5　發(fā)酵調控理論的局限性和發(fā)展方向
　　1.5.1　發(fā)酵調控理論的局限性
　　1.5.2　發(fā)酵調控理論的發(fā)展方向
第2章　強化過程傳遞原理
　2.1　過程強化
　2.2　生物過程強化
　2.3　剪切力對生物過程的影響
　　2.3.1　剪切力
　　2.3.2　剪切力對微生物發(fā)酵的影響
　　2.3.3　剪切力對動物細胞培養(yǎng)的影響
　　2.3.4　剪切力對植物細胞培養(yǎng)的影響
　2.4　法向作用力對生物過程的影響
　　2.4.1　法向力
　　2.4.2　法向力強化生物過程
第3章　發(fā)酵過程周期作用原理的提出
　3.1　周期現(xiàn)象的普遍性
　3.2　典型的生物周期現(xiàn)象
　　3.2.1　生物的光周期
　　3.2.2　人體的周期節(jié)律
　3.3　代謝周期振蕩
　　3.3.1　酶振蕩反應
　　3.3.2　鈣振蕩
　3.4　生物反應系統(tǒng)中周期振蕩現(xiàn)象與周期作用力
　　3.4.1　糖酵解振蕩
　　3.4.2　代謝周期振蕩的理論分析——非平衡非線性理論
　3.5　生物周期節(jié)律與代謝網絡調控
　　3.5.1　生物周期節(jié)律及外界刺激對生物的影響
　　3.5.2　生物周期節(jié)律機制
　　3.5.3　微生物的周期節(jié)律與代謝網絡調控
　3.6　發(fā)酵過程周期刺激理論的提出
第4章　發(fā)酵過程周期作用原理解析
　4.1　周期作用對于發(fā)酵過程的宏觀影響
　　4.1.1　氣相周期刺激對于固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的影響
　　4.1.2　磁場對于微生物生長過程的影響
　　4.1.3　底物濃度脈沖對于微生物生長過程的影響
　　4.1.4　pH脈沖對于微生物生長過程的影響
　　4.1.5　溫度脈沖對于微生物發(fā)酵過程的影響
　　4.1.6　超聲波對微生物發(fā)酵的影響
　4.2　周期作用對于蛋白表達數(shù)量和種類的影響
　　4.2.1　壓力脈動周期刺激對固態(tài)發(fā)酵微生物蛋白質的影響
　　4.2.2　用SDS?PAGE電泳研究周期刺激對微生物蛋白表達的影響
　　4.2.3　動態(tài)磁場對于微生物蛋白質表達的影響
　4.3　周期作用對于微生物關鍵酶活力的影響
　　4.3.1　氣相周期刺激對己糖激酶的影響
　　4.3.2　氣相周期刺激對ATPase的影響
　　4.3.3　間歇通氣對微生物關鍵酶活的影響
　4.4　周期作用對微生物呼吸的影響
　　4.4.1　強制通風固態(tài)發(fā)酵微生物的呼吸特點
　　4.4.2　氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵微生物的呼吸特點
　　4.4.3　氣相周期刺激對于微生物呼吸強度的影響
　　4.4.4　氣相周期刺激對于微生物呼吸商的影響
第5章　周期作用過程優(yōu)化
　5.1　發(fā)酵過程周期作用過程優(yōu)化原理
　5.2　基于微生物代謝物質需求的周期操作優(yōu)化
　　5.2.1　碳氮源周期補充
　　5.2.2　礦物鹽周期補充
　　5.2.3　特殊營養(yǎng)成分周期性補充
　5.3　針對微生物發(fā)酵環(huán)境的周期作用
　　5.3.1　變壓操作
　　5.3.2　變溫操作
　　5.3.3　pH改變
　　5.3.4　通氧速率改變
　5.4　基于環(huán)境脅迫的周期作用過程優(yōu)化
　　5.4.1　低速超聲波周期作用原理及過程優(yōu)化
　　5.4.2　交變磁場周期作用原理與優(yōu)化
　　5.4.3　交變電場
　　5.4.4　微波
　5.5　周期作用生物反應器設計
　　5.5.1　雙環(huán)流氣升式發(fā)酵反應器
　　5.5.2　氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應器
　　5.5.3　填充床反應器的法相作用操作
　　5.5.4　磁場強化發(fā)酵反應器設計
第6章　周期作用原理應用新方向
　6.1　用于菌種篩選
　　6.1.1　自發(fā)突變與育種
　　6.1.2　誘變育種
　　6.1.3　雜交育種
　　6.1.4　原生質體融合
　　6.1.5　基因工程
　　6.1.6　從病態(tài)微生物到易調控微生物
　6.2　展望
參考文獻
　　　　

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