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第一篇 生物过程原理1

1 生物技术概论3

1.1 生物技术的内涵与特性3

1.2 生物技术的发展过程3

1.2.1 原始生物技术4

1.2.2 非无菌条件下的生物技术4

1.2.3 无菌条件下的生物技术4

1.2.4 近代生物技术4

1.3 生物技术的基础5

1.3.1 微生物系统5

1.3.2 酶系统5

1.3.3 动物细胞系统6

1.4 生物技术的进展6

1.4.1 代谢系统工程方法6

1.4.2 组合生物化学8

1.4.3 系统生物技术9

1.4.4 生理应力的响应11

1.4.5 关联分析12

1.4.6 工业规模发酵过程的多尺度问题12

1.5 生物技术的应用12

1.5.1 工业微生物及其产物12

1.5.2 工业发酵的特性12

1.6 现代生物技术在各个领域中的应用13

1.6.1 生物医药13

1.6.2 初级代谢物14

1.6.3 次级代谢物15

1.6.4 酶15

1.6.5 生物转化16

1.6.6 农业16

1.6.7 聚合物16

1.7 其他领域的生物技术17

1.7.1 海洋生物技术17

1.7.2 植物保护上的应用17

1.7.3 生物技术在太空中的应用17

参考文献18

2 菌种来源，生物活性物质的筛选和菌种保藏20

2.1 菌种来源20

2.1.1 放线菌的分离20

2.1.2 细菌的分离23

2.1.3 真菌的分离25

2.2 生物活性物质的筛选29

2.2.1 靶标的确定29

2.2.2 各种生物活性物质的筛选29

2.2.3 筛选方法30

2.2.4 化合物库的产生31

2.2.5 宏基因组技术的应用32

2.3 菌种保藏33

2.3.1 斜面保藏法33

2.3.2 石蜡油保藏法33

2.3.3 载体保藏法33

2.3.4 液体保藏法33

2.3.5 冷冻保藏法34

2.3.6 冷冻干燥保藏法34

参考文献35

3 新技术育种原理及其进展38

3.1 遗传育种38

3.1.1 传统诱变育种39

3.1.2 基因工程育种40

3.1.3 原生质体融合42

3.2 突变株筛选技术43

3.2.1 随机筛选43

3.2.2 理性化选择44

3.3 遗传学新技术48

3.3.1 基于基因组的菌株重建48

3.3.2 代谢工程48

3.3.3 组学技术48

3.3.4 大规模平行信号测序50

3.3.5 定向进化51

3.3.6 分子育种技术51

3.3.7 全基因组改组51

3.3.8 组合生物合成51

3.4 应用53

3.4.1 初级代谢产物的生产53

3.4.2 次级代谢产物的生产53

3.4.3 微生物酶53

3.4.4 聚合物、燃料、食品和饮料54

3.4.5 生物转化54

3.5 结语55

参考文献56

4 基因工程原理59

4.1 基因工程的基本工具59

4.1.1 工具酶59

4.1.2 载体61

4.1.3 建立载体-宿主系统62

4.2 基因的分离技术62

4.2.1 构建基因文库63

4.2.2 基因文库中特定基因筛选和分离63

4.2.3 利用PCR技术扩增和分离基因64

4.2.4 基因的化学合成64

4.2.5 基因序列测定和序列数据库65

4.3 基因操作技术65

4.3.1 DNA重组体的筛选66

4.3.2 基因突变、重组和体外分子进化67

4.3.3 基因的导入和转移68

4.4 基因表达系统70

4.4.1 大肠杆菌基因表达系统70

4.4.2 酵母基因表达系统72

4.4.3 哺乳动物细胞基因表达系统74

参考文献75

5 代谢调控77

5.1 酶活性的调节78

5.1.1 代谢调节的部位78

5.1.2 共价修饰79

5.1.3 变（别）构控制79

5.1.4 其他调节方式80

5.2 酶合成的调节80

5.2.1 诱导作用81

5.2.2 分解代谢物阻遏84

5.2.3 反馈调节85

5.2.4 协调控制90

5.3 代谢调控在氨基酸发酵中的应用90

5.3.1 谷氨酸91

5.3.2 赖氨酸92

5.3.3 天冬氨酸95

5.3.4 苯丙氨酸95

5.4 次级代谢产物生物合成的调节与控制96

5.4.1 参与抗生素合成作用的酶的诱导及解除阻遏96

5.4.2 抗生素生物合成启动的控制96

5.4.3 碳源分解代谢物的调节97

5.4.4 氮源分解代谢物的调节98

5.4.5 磷酸盐的调节作用98

5.4.6 分解代谢产物对次级代谢调控的作用部位100

5.4.7 抗生素生物合成的终止101

5.4.8 人工克服微生物次级代谢调控作用的限制101

5.4.9 定向抗生素生物合成101

5.5 代谢工程方法应用于改进抗生素的生物合成102

5.5.1 组成代谢与产生菌遗传性质的研究基础102

5.5.2 次级代谢的调节102

5.5.3 代谢流的分析103

参考文献103

6 培养基105

6.1 培养基的成分及来源105

6.1.1 碳源106

6.1.2 氮源107

6.1.3 无机盐及微量元素109

6.1.4 前体、生长因子、促进剂和抑制剂112

6.2 培养基的类型及选择113

6.2.1 培养基的类型113

6.2.2 培养基成分和配比的选择114

6.2.3 影响培养基质量的因素117

参考文献119

7 种子扩大培养120

7.1 种子制备工艺120

7.1.1 实验室种子制备121

7.1.2 生产车间种子制备121

7.2 影响种子质量的因素124

7.2.1 原材料影响124

7.2.2 培养基成分的影响124

7.2.3 培养条件125

7.2.4 种子保藏的影响126

7.2.5 接种方法对种子质量的影响126

7.3 种子质量的控制措施126

7.3.1 培养基成分质量的控制126

7.3.2 种子质量的检测参数127

7.3.3 种子稳定性的检查127

7.3.4 无（杂）菌检查127

7.3.5 种子液黏度的控制128

参考文献128

8 培养技术与过程建模129

8.1 培养技术原理129

8.1.1 分批培养129

8.1.2 补料-分批培养133

8.1.3 半连续培养135

8.1.4 连续培养135

8.1.5 与产物回收结合的培养138

8.1.6 细胞高密度培养140

8.2 过程建模141

8.3 微生物过程动力学模型142

8.3.1 细胞生长的动力学模型143

8.3.2 速率和得率系数的定义144

8.3.3 线性速率方程145

8.3.4 理想生物反应器的物料平衡146

8.3.5 生化过程的建模147

8.4 微生物过程的放大147

8.4.1 用于放大的标准147

8.4.2 过程放大需考虑的因素148

参考文献149

9 发酵工艺监控150

9.1 影响发酵的因素150

9.1.1 温度150

9.1.2 pH151

9.1.3 溶氧152

9.1.4 二氧化碳和呼吸熵157

9.1.5 加糖，补料159

9.1.6 比生长速率160

9.1.7 菌丝生长形式162

9.1.8 物理因素163

9.1.9 氧化还原电位165

9.2 发酵过程的监控165

9.2.1 过程监控方式166

9.2.2 泡沫167

9.2.3 发酵终点的判断与自溶的监测169

9.2.4 发酵染菌的防治及处理171

9.3 发酵过程的综合控制与优化172

9.3.1 补料的优化173

9.3.2 补料分批培养中生产经济上的优化173

9.4 发酵过程实时控制技术进展173

9.4.1 发酵过程的非线性系统控制策略174

9.4.2 在线代谢物流分析用于发酵过程的控制174

9.4.3 发酵过程参数的相关分析174

9.4.4 计算机在发酵监控方面的应用175

参考文献176

10 酶与细胞的固定化技术及其应用179

10.1 概述179

10.1.1 酶的固定化180

10.1.2 微生物酶的固定化180

10.1.3 微生物细胞的固定化181

10.1.4 细胞器及动植物细胞的固定化182

10.2 固定化方法182

10.2.1 酶的固定化方法182

10.2.2 微生物的固定化方法184

10.2.3 整细胞的固定化方法186

10.2.4 细胞器的固定化方法188

10.2.5 动植物细胞的固定化方法190

10.3 固定化酶（细胞）的性质及评价指标192

10.3.1 固定化酶（细胞）的性质192

10.3.2 固定化酶（细胞）的评价指标197

10.4 固定化酶（细胞）的应用198

10.4.1 固定化酶在工业上的应用199

10.4.2 固定化酶在传感器方面的应用200

参考文献201

11 蛋白质组学及其在微生物学研究中的应用202

11.1 引言202

11.2 蛋白质组学研究基本技术203

11.2.1 蛋白质分离203

11.2.2 生物质谱与蛋白质鉴定205

11.2.3 定量蛋白质组学207

11.3 微生物蛋白质组学209

11.3.1 病原微生物蛋白质组学209

11.3.2 模式微生物蛋白质组学210

11.4 展望210

参考文献211

12 动物细胞培养212

12.1 动物细胞培养发展简史212

12.2 体外培养动物细胞的种类213

12.2.1 原代培养与传代培养213

12.2.2 细胞系（株）213

12.3 细胞系的保存214

12.3.1 冻存保护剂214

12.3.2 降温速率215

12.4 动物细胞培养基215

12.4.1 天然培养基215

12.4.2 合成培养基216

12.4.3 无血清培养基216

12.5 动物细胞培养的代谢调控218

12.5.1 葡萄糖和谷氨酰胺的代谢218

12.5.2 主要代谢副产物：乳酸和氨219

12.5.3 氨基酸的代谢220

12.6 动物细胞的大规模培养220

12.6.1 动物细胞培养方法220

12.6.2 动物细胞培养生物反应器222

12.6.3 动物细胞培养应用224

12.7 昆虫细胞的培养226

12.7.1 昆虫细胞用培养基227

12.7.2 昆虫细胞大规模细胞培养和病毒培养228

参考文献230

13 植物细胞培养232

13.1 培养基的组成、配制和灭菌232

13.1.1 培养基的成分232

13.1.2 培养基的配制235

13.1.3 培养基的灭菌235

13.2 培养设施236

13.2.1 洗涤设备的要求和选择236

13.2.2 灭菌和无菌设备的要求和选择236

13.2.3 培养设备的要求和选择236

13.2.4 其他设备的选择237

13.3 培养操作237

13.3.1 植物组织的选取237

13.3.2 植物组织的消毒灭菌处理238

13.3.3 愈伤组织的诱导238

13.3.4 愈伤组织的维持和继代培养240

13.4 次生代谢产物的生产241

13.4.1 次生代谢产物概念和分类241

13.4.2 提高次生代谢产物产量的途径241

13.4.3 提高次生代谢产物产量的技术243

13.5 植物细胞反应器244

13.5.1 生长动力学244

13.5.2 植物细胞培养反应器244

13.5.3 反应器的比较与选择246

13.5.4 反应器操作策略247

参考文献249

第二篇 生物物质分离和纯化原理251

14 下游加工过程概论253

14.1 下游加工过程的重要性与特点253

14.2 分离纯化一般流程254

14.3 分离基本原理及选择技术的原则256

14.3.1 分离纯化方法的基本原理256

14.3.2 分离纯化技术路线的选择原则257

14.4 分离纯化方法的综合运用与工艺优化258

14.4.1 收率与纯度之间的平衡259

14.4.2 经济性考虑259

14.4.3 工艺放大与中试259

参考文献260

15 发酵液的预处理和固液分离方法261

15.1 发酵液的预处理261

15.1.1 加热法261

15.1.2 凝聚和絮凝法261

15.1.3 添加助滤剂法263

15.2 发酵液的过滤264

15.2.1 过滤操作与计算264

15.2.2 过滤设备的分类266

15.2.3 过滤设备的选择268

15.2.4 过滤介质269

15.3 发酵液的离心分离269

15.3.1 基本概念270

15.3.2 离心工艺计算与选型270

15.3.3 离心设备的放大272

15.4 发酵液的离心过滤272

15.4.1 工作原理272

15.4.2 离心过滤设备273

参考文献275

16 细胞破碎与非选择性蛋白分离276

16.1 细胞壁的组成和结构276

16.1.1 细菌276

16.1.2 酵母菌277

16.1.3 霉菌和藻类277

16.1.4 植物细胞壁的化学组成和结构277

16.2 细胞的破碎技术278

16.2.1 细胞破碎方法概述278

16.2.2 高压匀浆法279

16.2.3 高速珠磨法280

16.2.4 超声破碎282

16.2.5 物理方法282

16.2.6 化学方法282

16.2.7 生物方法283

16.2.8 非机械法与机械法的比较284

16.3 细胞破碎的评价285

16.3.1 直接计数法285

16.3.2 间接计数法285

参考文献286

17 沉淀法287

17.1 蛋白质表面特性与其溶液稳定性287

17.1.1 蛋白质表面特性287

17.1.2 蛋白质溶液的稳定性287

17.2 盐析288

17.2.1 盐析原理288

17.2.2 Cohn方程式289

17.2.3 影响盐析的因素289

17.2.4 盐析用盐的选择290

17.2.5 盐析操作291

17.2.6 盐析应用291

17.3 等电点沉淀292

17.3.1 等电点沉淀原理292

17.3.2 等电点沉淀操作293

17.4 有机溶剂沉淀293

17.4.1 有机溶剂沉淀原理293

17.4.2 沉淀溶剂的选择294

17.4.3 有机溶剂沉淀的影响因素294

17.4.4 有机溶剂沉淀的特点295

17.5 热沉淀295

17.6 其他沉淀法295

17.6.1 水溶性非离子型聚合物沉淀剂295

17.6.2 生成盐类复合物的沉淀剂296

17.6.3 离子型多聚物沉淀剂296

17.6.4 氨基酸类沉淀剂296

17.6.5 离子型表面活性剂296

参考文献297

18 膜分离过程298

18.1 膜分离类型及基本原理298

18.1.1 膜分离类型298

18.1.2 微滤和超滤299

18.1.3 反渗透300

18.1.4 纳滤300

18.1.5 透析301

18.1.6 渗透汽化301

18.1.7 电渗析302

18.1.8 膜萃取303

18.2 膜材料及性能参数303

18.2.1 膜材料303

18.2.2 膜的结构304

18.2.3 膜的性能参数304

18.3 膜组件305

18.3.1 膜组件的分类及基本特性305

18.3.2 管式膜组件306

18.3.3 平板膜组件306

18.3.4 螺旋卷式膜组件307

18.3.5 中空纤维（毛细管）式膜组件308

18.4 膜分离器的运行309

18.4.1 膜分离过滤基本方式309

18.4.2 超滤及微滤膜分离过程的操作方式310

18.5 超滤和微滤膜分离的影响因素及工艺措施311

18.5.1 膜的劣化、膜污染以及浓差极化311

18.5.2 膜的清洗312

18.6 膜过滤在生物及相关产业中的应用313

18.6.1 细胞收集和发酵液澄清313

18.6.2 酶、蛋白质等大分子物质的浓缩和精制313

18.6.3 小分子量发酵产品的分离与浓缩313

18.6.4 超滤在血液制品中的应用314

18.6.5 低聚糖的分离和精制314

18.6.6 膜基溶剂萃取314

18.6.7 无机膜的应用315

参考文献315

19 溶剂萃取，两水相萃取法316

19.1 分配定律316

19.2 溶剂的选择318

19.2.1 萃取过程的选择性318

19.2.2 萃取溶剂的选择318

19.3 萃取方式与收得率319

19.3.1 单级萃取320

19.3.2 多级萃取321

19.3.3 其他萃取方式325

19.4 影响溶剂萃取的主要因素326

19.5 两（双）水相萃取326

19.5.1 双水相系统的类型327

19.5.2 双水相系统的相平衡特性329

19.5.3 影响双水相萃取的因素330

19.5.4 双水相萃取的应用331

参考文献332

20 离子交换法333

20.1 基本概念333

20.1.1 离子交换反应与离子交换剂333

20.1.2 离子交换树脂的组成334

20.1.3 离子交换树脂的分类334

20.1.4 大孔树脂334

20.2 离子交换树脂的性质与测定335

20.2.1 生物相容性335

20.2.2 结构性能335

20.2.3 理化性能336

20.3 影响离子交换过程的因素337

20.3.1 离子交换平衡338

20.3.2 离子交换速度339

20.3.3 树脂的影响339

20.3.4 pH的影响340

20.3.5 温度的影响340

20.3.6 流速的影响341

20.4 树脂的选择与交换工艺341

20.4.1 树脂选择341

20.4.2 操作工艺342

参考文献344

21 吸附法与色层分离345

21.1 吸附过程的基础理论345

21.1.1 有关概念345

21.1.2 吸附的类型346

21.1.3 吸附等温线347

21.2 吸附操作方式及工艺过程349

21.2.1 分批式与连续式吸附349

21.2.2 固定床吸附349

21.2.3 膨胀（扩张）床吸附350

21.3 影响吸附过程的主要因素351

21.3.1 吸附剂的性质351

21.3.2 吸附物的性质351

21.3.3 溶液pH和温度的影响352

21.3.4 其他组分的影响352

21.4 大网格聚合物吸附剂及其应用352

21.4.1 大网格聚合物吸附剂352

21.4.2 大网格聚合物吸附剂的应用353

21.5 色层分离的基本概念、原理和特点354

21.6 色层分离的分类及色层展开技术356

21.6.1 色层分离的分类356

21.6.2 色层展开技术357

21.7 色层分离方法的选择及主要色层分离法358

21.7.1 色层分离方法的选择358

21.7.2 主要色层分离法359

参考文献362

22 电泳分离法363

22.1 引言363

22.2 电泳过程基础363

22.2.1 电泳过程原理363

22.2.2 电泳淌度的影响因素364

22.3 电泳分类365

22.3.1 移界电泳法366

22.3.2 区带电泳法367

22.3.3 等速电泳368

22.3.4 等电聚焦369

22.4 制备电泳369

22.4.1 连续自由流电泳370

22.4.2 使用支持物的连续电泳370

22.4.3 制备凝胶电泳370

22.4.4 制备等电聚焦电泳372

22.4.5 与其他分离过程偶合的制备电泳技术374

参考文献374

23 蛋白质的分离与纯化375

23.1 引言375

23.2 包涵体的形成375

23.3 包涵体表达的特性及对分离纯化的影响376

23.3.1 包涵体表达的特性376

23.3.2 包涵体对分离纯化的影响376

23.4 包涵体的分离纯化工艺过程377

23.4.1 菌体细胞的收集与破碎377

23.4.2 包涵体的分离、洗涤与溶解377

23.4.3 变性蛋白质的纯化378

23.5 重组蛋白的体外折叠378

23.5.1 重新折叠的方法378

23.5.2 重新折叠的影响因素380

23.5.3 复性蛋白质的检测380

参考文献381

24 结晶与干燥382

24.1 结晶382

24.1.1 概述382

24.1.2 结晶分离过程基本理论383

24.1.3 结晶设备的类型和特点386

24.2 冷冻干燥388

24.2.1 概述388

24.2.2 冷冻干燥的原理388

24.2.3 冷冻干燥设备391

24.2.4 冷冻干燥操作步骤392

24.3 喷雾干燥393

24.3.1 概述393

24.3.2 喷雾干燥基本原理393

24.3.3 喷雾干燥流程394

24.3.4 雾化器395

24.3.5 干燥室396

参考文献397