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第1章 新型有机酸生产技术1

1.1 概述1

1.1.1 有机酸的定义和分类1

1.1.2 羧酸的性质3

1.2 发酵法生产有机酸的历史与现状5

1.2.1 有机酸与人类文明发展6

1.2.2 主要有机酸市场情况7

1.3 主要有机酸及其发酵法生产12

1.3.1 C1有机酸12

1.3.2 C2有机酸14

1.3.3 C3有机酸16

1.3.4 C4有机酸22

1.3.5 C5有机酸27

1.3.6 C6有机酸31

1.3.7 其他41

1.4 有机酸的化学合成与发酵生产的比较44

1.4.1 有机酸的化学合成法存在的问题44

1.4.2 发酵法生产有机酸及其优势46

1.4.3 有机酸发酵微生物48

1.4.4 发酵法生产有机酸存在的问题49

1.5 展望51

参考文献52

第2章 新型有机酸生产菌种选育的传统方法与先进技术53

2.1 概述53

2.2 诱变育种原理与技术54

2.2.1 物理诱变技术54

2.2.2 化学诱变技术57

2.3 代谢控制育种58

2.3.1 营养缺陷型育种技术58

2.3.2 拮抗育种技术59

2.4 适应性进化60

2.4.1 适应性进化应用于提高环境适应性61

2.4.2 适应性进化应用于表型优化62

2.4.3 适应性进化应用于潜在代谢途径的激活62

2.5 基因组重排63

2.5.1 基因组重排技术的优点64

2.5.2 基因组重排技术的原理64

2.5.3 基因组重排技术的应用66

2.5.4 基因组重排技术存在的问题与展望67

2.6 菌种筛选技术67

2.6.1 传统筛选技术67

2.6.2 高通量筛选技术68

2.7 小结69

参考文献69

第3章 微生物合成新型有机酸的生理机制与代谢调控71

3.1 概述71

3.2 碳中心代谢途径调控过程的生理机制72

3.2.1 葡萄糖转运和磷酸化对碳中心代谢途径的调控73

3.2.2 糖酵解途径关键酶的代谢特性75

3.2.3 碳中心代谢途径的辅因子调控机制77

3.3 酸胁迫与高渗胁迫能力强化81

3.3.1 有机酸发酵过程中的酸胁迫和高渗胁迫81

3.3.2 微生物应对酸胁迫的主要响应机制83

3.3.3 微生物应对高渗胁迫的主要响应机制84

3.3.4 酸胁迫和高渗胁迫对有机酸积累的正调控91

3.4 微生物合成新型有机酸的代谢调控93

3.4.1 代谢调控的关键作用靶点94

3.4.2 代谢工程策略95

3.5 小结99

参考文献99

第4章 新型有机酸发酵过程优化与控制100

4.1 概述100

4.2 分批发酵技术101

4.2.1 培养基的设计及优化101

4.2.2 分批发酵过程的模型化研究108

4.3 流加发酵技术110

4.3.1 流加发酵技术简介111

4.3.2 流加培养原理112

4.3.3 发酵过程中常用的流加策略114

4.4 高细胞密度发酵技术119

4.4.1 高细胞密度发酵简介119

4.4.2 高细胞密度培养生长环境的优化策略121

4.4.3 高细胞密度培养的培养模式122

4.4.4 最大细胞密度的理论计算123

4.5 分阶段控制策略128

4.5.1 分阶段发酵模型的建立128

4.5.2 溶氧的分阶段控制129

4.5.3 pH的分阶段控制131

4.5.4 温度的分阶段控制133

4.6 基于复杂生理参数的在线控制策略135

4.6.1 生物量的估计136

4.6.2 噪声测量136

4.6.3 生物学控制-反馈和前馈136

4.6.4 自适应控制和自适应模型137

4.6.5 故障诊断137

4.6.6 改进控制的经验方法137

4.7 目标产物原位消除策略138

4.7.1 膜法发酵138

4.7.2 电渗析发酵139

4.7.3 提取发酵140

4.7.4 吸附发酵141

4.8 小结142

参考文献142

第5章 发酵法制备丙酮酸技术143

5.1 概述143

5.2 丙酮酸高产菌株育种技术144

5.2.1 乙酸渗漏型丙酮酸高产菌株的选育144

5.2.2 氟丙酮酸敏感型丙酮酸高产菌株的选育147

5.2.3 以无机氮源为唯一氮源丙酮酸高产菌株的选育147

5.3 辅因子工程技术强化光滑球拟酵母丙酮酸积累速率149

5.3.1 内源NAD＋/H再生系统对丙酮酸合成过程的影响150

5.3.2 异源NAD＋/H再生系统对丙酮酸合成过程的影响154

5.4 代谢工程技术强化光滑球拟酵母高渗透压耐受能力164

5.4.1 高渗胁迫对光滑球拟酵母的系统生物学研究164

5.4.2 过程优化和代谢工程技术强化光滑球拟酵母渗透压胁迫耐受169

5.5 丙酮酸发酵过程优化策略177

5.5.1 维生素浓度和流加策略的优化177

5.5.2 葡萄糖流加策略的优化180

5.5.3 基于动力学模型温度控制策略的优化186

5.5.4 分阶段溶氧发酵过程优化策略192

5.6 小结196

参考文献197

第6章 发酵法制备α-酮戊二酸技术198

6.1 概述198

6.2 α-酮戊二酸高产菌株育种技术201

6.2.1 α-酮戊二酸高产菌株筛选201

6.2.2 α-酮戊二酸高产菌株高通量诱变育种201

6.3 碳中心代谢途径调控强化解脂亚洛酵母生产α-酮戊二酸204

6.3.1 调控乙酰辅酶A代谢促进α-酮戊二酸的生成204

6.3.2 强化丙酮酸回补途径促进α-酮戊二酸的积累206

6.4 转运蛋白工程技术强化解脂亚洛酵母胞外积累α-酮戊二酸211

6.5 α-酮戊二酸发酵过程优化与放大214

6.5.1 基础发酵过程优化215

6.5.2 分阶段pH控制发酵过程优化策略218

6.5.3 解脂亚洛酵母发酵生产α-酮戊二酸中试放大220

6.6 小结226

参考文献226

第7章 发酵法制备丙酸技术227

7.1 概述227

7.1.1 丙酸的生产228

7.1.2 丙酸杆菌229

7.1.3 微生物细胞响应酸性环境的耐受机制229

7.1.4 基于组学技术的丙酸杆菌的生理特性研究230

7.2 丙酸高产菌株育种技术232

7.2.1 基因组改组技术简介232

7.2.2 基因组改组技术提高产酸丙酸杆菌耐酸性能233

7.3 胞内微环境水平的耐酸机制解析237

7.3.1 微生物生理学分析237

7.3.2 基于蛋白质组学的耐酸机制解析240

7.4 基于代谢组学的解析提高丙酸产量249

7.4.1 产酸丙酸杆菌改组菌株和原始菌株发酵特性的比较249

7.4.2 产酸丙酸杆菌代谢组学分析250

7.4.3 丙酸合成的关键代谢物及代谢途径254

7.4.4 外源添加关键代谢物提高丙酸产量256

7.5 小结259

参考文献259

第8章 酶转化法制备酮酸261

8.1 概述261

8.2 L-氨基酸脱氨酶转化L-苯丙氨酸生产α-苯丙酮酸265

8.2.1 P.mirabilis L-氨基酸脱氨酶在大肠杆菌中的表达265

8.2.2 全细胞催化剂转化L-苯丙氨酸生产α-苯丙酮酸条件优化266

8.2.3 L-氨基酸脱氨酶定向进化269

8.2.4 L-氨基酸脱氨酶定点饱和突变270

8.2.5 大肠杆菌代谢改造271

8.3 L-氨基酸脱氨酶转化L-蛋氨酸生产α-氨酮基-γ-甲硫基丁酸276

8.3.1 P.vulgαris L-氨基酸脱氨酶在大肠杆菌中的表达276

8.3.2 定向进化和定点突变提高催化效率278

8.3.3 全细胞转化催化剂的细胞固定化280

8.4 L-氨基酸脱氨酶转化L-谷氨酸生产α-酮戊二酸281

8.4.1 在枯草芽孢杆菌和大肠杆菌中异源表达L-氨基酸脱氨酶282

8.4.2 关键条件因素对全细胞转化生产α-KG的影响283

8.4.3 阻止底物向胞内的转运以减少细胞催化剂对底物的吸收消耗284

8.4.4 全细胞转化L-谷氨酸生产α-KG的过程优化285

8.5 全细胞转化L-亮氨酸生产α-酮异己酸286

8.5.1 重组质粒pET28a-lad的构建286

8.5.2 全细胞催化剂的制备及优化286

8.5.3 全细胞反应条件优化288

8.5.4 在过量亮氨酸的条件下的流加策略优化291

8.5.5 氨基酸脱氨酶催化过程和催化位置分析293

8.6 小结294

参考文献294