关于生物工程生物技术专业英语课文翻译完整版

第一章导论生物工程的特征一步分为：终产物的构建（例如，酶，抗生素、有机酸、甾类；初始原料的降解（例如，污水处理、工业垃圾的降解或者石油泄漏。（葡萄糖分解代谢为乙醇这样的方式，简单分子被组建为较复杂的物质（抗生素的合成。分解代谢反应常常是放能反应过程，相反的，合成代谢反应为吸能过程。生物工程包括发酵工程（的生产，水与废品的处理、某些食品生产以及从生物治疗到从低级矿石种进行2000650亿美的联系以及其与生物工程之间的关系更应阐释。生物工程的发展历史要的发展阶段。食品与饮料的生物技术生产众所周知，像烤面包、啤酒与葡萄酒酿造已经有6000，苏美尔人4000生物体，酵母所影响的。对这些小生物发酵能力的最确凿的证明来自1857-1876年巴斯得所进行的开创性研究，他被认为是生物工程的始祖。300Agarius蘑菇现在在温带已经有广泛养殖。济的贡献已远远超出了它们不足为道的起源。有菌条件下的生物技术19世纪末，经过生物发酵而生产的很多的重要工业化这类发酵工艺相对简单而且可进行大规模操作生产。的规模是最大的。将无菌消毒技术引入生物工程2040有机酸、酶、多糖和疫苗。大部分这样的过程是复杂的，成本昂贵，仅适于高附生物工程的新领域在最近的十年里，分子生物学和过程控制取得了长足的发中所扮演角色的良好评价。基因工程对于重要的工业用生物基因组的有性重组或突变操作一直是工业遗传学家革新目录中的组成部分。重组DNA新技术包括温和的进行活细胞破碎、DNA提取、纯化和利用高度专一性的酶进行随后的有选择DNADNA分子导入选择的受体细胞进行增值和细胞合成。重组DNA技术可较简便的进行基因组操作，而且可（包括从细胞培养上清液中进行植物的再生的广泛应用对生物工程的发展有着深远的影响。发展具有特殊的重要意义（300万吨的发展是细胞整体的固定化。控制在生物工程工业领域中的应用落后其在化学工程工业领域操作中的（下游工程将提高所有处理过程的3.00.16。然而，下游处理过程仍是生物工程中被忽视的部分。工程化产品和系统利用蛋白质和细胞固定化技术可进行如抗体和酶这生物工程工业与服务业领域进行精密的程序控制。温下操作，耗能少，总体上依赖廉价的原料为底物。不同专业的生命学家和工程师将个人的努力贡献于生物工程，生物工程学家这一术语作为涵盖那些应用自身技能知识进行生物材料处理的科学家或工程师。然而，这个术语它只能导致混淆，必须停止采用。我们比较一下，一名生训练。一个完美的生物工程师是不存在的，因为没有一个人同时成为微生物学、生物化学、分子生物学、化学工程等专业的专家。然而，从事这方面工作的人员必须努力去学习了解其他组成学科的语言，不同专业的科学家之间共同语言的缺乏势必会成为完全发挥生物工程潜在价值的主要阻力。生物工程的应用的生产；相对大容量、高价值的中间体产品包括氨基酸与有机酸、食品、面包酵母、丙酮、丁酮和某些多聚物，然而那些小规模、价值高的产品包括抗生素、干扰素、疫苗、单克隆抗体、酶和维生素。来的生物工程可简单的分为三个领域：小规模生物工程是专指那些只利用生物学方法就可比较经济的进行生化单克隆抗体和干扰素。农业竞争，生产天然产品包括蛋白质和脂肪酸。大量的工业产品。20（1.2的发展。生物工程的发展未来生物工程的发展在很大程度上取决于以下三个前提：利用传统工艺与基因工程技术体系，扩大对有价值产品的生产范围。从再生资源获得粗原料的能力。料更加经济。30-70%与政治因素的影响。角度，可以议价以抵制不断增长的石油进口。来自农业、林业和工业有机废料的再生资源越来越重要，经过生物工程处理，生物工程的发展策略蓝图够在自然资源、人类需求与环境间建立良好的平衡关系。队伍，高水平的生物工程才能顺利开展。5-2090年代才能有较大的发展。证实围绕着基本原理的生物技术的核心部分已经得到了发展。总结载在历史的新篇章中。作为生物活性分子如酶和单克隆抗体的来源。了重要的进展，这将进一步加快生物工业的发展。（从长远来看第二章生长与代谢的生物化学前言质、碳水化合物等等，同时也包括它们的前提物质——氨基酸、嘌呤与嘧啶、脂肪酸、各种糖与糖苷。合成代谢不是自发进行的，必须由能量所推动，对大CO2和水的过程是最为常见的分解代谢反应，然而微生物以这样的方式还学的基础，可以从两者的平衡关系或者分别对它们进行讨论。O2CO2（氧化还原反应大部分底物都要被分解从而维持一定水平的合成代谢。在生物体中这种差别能够明显的体现出来，比如酵母，它属于兼性厌氧生物，化为CO2和水，相对产生高产量的新酵母。而厌氧条件下，酵母菌生长缓慢，CO2。代谢与能量”ATPATPATP用于生物合成反应时，其水解产物为ADP（腺苷二磷酸）或者某些时候为AMP（苷一磷酸（反应式）ADPAT（反应式ATP作用而发生。（55M”ADPAMP作用形成Atksirson胞的能荷为：ATP+0.5ADPATP+ADP+AMPATP1.00.5。0.70.80.6到底是什么意思。ATP以它重ADP和ATP组分开始增大，因此，能荷值开始增大，当细胞停止生长时，所有的ADP和AMP都已经转化为ATP，此时能荷值达到最大。分解代谢途径和其它C2化合物不断增长的重要的经济价值。葡萄糖和其它糖的相互作用受关键控制机制的支配。（常被称为恩伯纳-迈耶霍夫或者糖酵解途径如2.2这个过程将葡萄糖转化为丙酮酸，碳原子数量无变化，还原2NAD+辅酶生2NADH的氧化剂。一磷酸己糖途径即磷酸戊糖途径如2.4为戊糖和CO22分子NAD+生成NADP[NAD+NAD+和H转移而作用，但它们是有差别的；NADH主要在于能量相关的氧化NADPH2.43-7个碳原cleavagestep对大多数有机体而言，66-80%的葡萄糖是经过恩伯纳-迈耶霍夫途径进行代点通常是恩伯纳-迈耶霍夫途径中，当6-磷酸果糖被磷酸果糖激酶（PFK）催化1，6-增大；而如果细胞中有足够的能量或者足够的C3代谢产物，则PFK低。PFK的控制通过两种手段。第一，酶的激活。在存在有ATPADP时，酶催化反应的速度被增大。因此，当细胞能荷低时，PFK酶被中间产物一般为磷酸烯醇式丙酮酸或者柠檬酸抑制，从而代谢过程被减缓。可能的满足合成代谢的需求。恩伯纳-迈耶霍夫途径与磷酸戊糖循环途径不是葡萄糖仅有的代谢过程，尽管它们是非常普遍的代谢途径。相对于恩伯纳-迈耶霍夫途径，另一种主要的代谢途径是恩特纳—道德洛夫途径，见于某些假单孢菌与细菌中，如2.5C5C42.4中所示的相反。C5和C6糖，产生乙酰磷酸和3-磷酸甘油4-磷酸赤藓糖（C5C6糖被利用）2.6于进行异型发酵的乳酸杆菌与醋酸杆菌中，它们取代恩伯纳-迈耶霍夫途径而发5-磷酸木酮糖进行磷酸酮醇酶反2.6所示（糖转化为木酮糖-仅仅是为有机体将戊糖转化为C2或者C3行生长代谢。三羧酸循环目前所讨论的代谢途径其终产物为C3或者C2化合物，称为丙酮酸酯或者乙CoA（如2.7（脱氢反应活性CoA的进一步有氧代谢经过一个循环过程，具有两种作用。它产生的中间产物用来进行生物合成反应，化合物最终被氧化为CO2CoA细胞中（被称为三羧酸循环，克雷布斯循环。于将丙酮酸转运到线粒体中，从而更容易的使丙酮酸进行三羧酸循环反应。CoA脱氢酶。CoA接下来通过2.8这个循环的作用包括：应是非常重要的代谢途径，细胞通过该途径同化氨。酮戊二酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶这些酶催化中间产物的进一步氧化反应，同INA+FAD分别转变为NADH2NADH3FADH2。琥珀2酸激酶反应也可获得能量。酮酸的羧化作用。CoACoACoA酸的合成速度就越快。当草酰乙酸与乙酰CoA合成了柠檬酸，乙酰CoA生更多的乙酰CoA。这样，柠檬酸合成不仅不会停止，这两个物质也使柠檬酸的前提物质始终保持平衡。ATPAMPATPAMP乙醛酸途径（C2化合物为碳源）如果一个有机体利用C2化合物或者脂肪酸或烃进行生长，那么产物主要为C2单元，三羧酸循环不能完全满足有机体的生长代谢，像前面内容中所讲过的，任何用来进行合成代谢的化合物，一旦在三羧酸循环中缺少，那么草酰乙酸的生C2化合物不能转化为丙酮酸（反应C4C2化合物合成。CoAC2化合物，如乙醛或者乙醇。通过已知的乙醛酸途径如C4C220-50-代谢生产的产物一样为苹果酸，然后是草酰乙酸。因此，经过乙醛酸循环，C4C2的过程在2.4部分中详细介绍。脂肪酸和烃利用烃进行生长的情况并不多见，但却见于细菌、酵母和霉菌中，这种利用脂肪酸或油和脂肪这种含有脂肪酸的物质进行代谢的现象是比较常见的。（细胞内或细胞外3摩尔游离脂肪酸和1墨尔甘油；甘油在恩伯纳—迈耶霍夫途径中被利用，很多微生物也可利用游离（由于它们具有表面活性剂的性质）A的硫酯形式。2.10的循环过程活化，用来降解脂肪链。每轮循环，都将1CoA2CoA又开始β-C4CoA2CoA原子数为奇数，那么该降解过程不断延续直到生成丙酸CoA2.7.3部分中所讲反应的可逆反应转化为丙酮酸。NADHNADPH。（反应式）一般来说，所有的参与烷烃降解作用的酶都具有底物专一性，而且容易与C10-C18的底物起作用。某些微生物可作用于更短或更长的链。少数情况下，对个碳原子的脂肪酸。尽管在某些有机体中，存在一种产生二羧酸的ω-氧化，但烷烃一般上都是β-β-度就代表了烷烃链的长度。饲料中的微小部分。它们的氧化反应过程同样涉及转化为脂肪酸的过程。甲烷和甲醇（细菌和酵母被称为甲基营养菌的微生物能够利用甲醇作为唯一的碳源；到目前为止，只发现一小部分细菌具有利用甲烷的能力，称为甲烷营养菌。极少数微生物能利用甲酸为碳源。这三种化合物的代谢是相关的，被最终氧化为CO2，它们合成细胞物质的机制与自养CO2固定化作用机制是不同的。[CO2作为唯一碳源的包括进行光合作用的植物与微生物和很少一物目前在生物工程中的应用较少。若想进一步了解CO2循环和还原性羧酸循环。]（反应式）NAD（NADPH）（高级烷烃的氧化相比较。氧合酶（3种蛋白质复合物）也可以氧化其它多种化合物，包括多种烷烃甚至甲醇本身。为辅因子。菌中，有一种独立作用的甲酸脱氢酶，NAD是它的辅因子。NAD+的还原过程。磷酸核酮糖循环和丝氨酸途径，分别如2.112.12所示。单磷酸核酮糖循环与卡尔文循环相似，都是通过磷酸戊糖途径的反应进行CO2自养固定化而生成以后的C1化合物受体，只多了两种酶：磷酸己糖合成酶和3-磷酸己糖异构酶。CoACoA以及丝氨酸转甲基酶，这是一种广泛存在的酶，作用于四氢叶酸（可形成必需的活化C1中间产物，N10-甲酰四氢叶酸，而后乙醛酸途径利用乙酰CoAC2C3单元的生成。5-3-2-磷酸丙酮。葡糖异生作用C2C3C2或C3，对有机体来说，就必须合成各种糖类以满足其代谢需求。这被称为葡糖异生作用。糖激酶催化地反应则是不可逆的，对细胞来说，就要避开这种阻碍。一种磷酸烯醇式丙酮酸合成酶可以催化这个反应。通常，草酰乙酸作为磷酸烯醇式丙酮酸的前体物质。可逆作用的性质（1，6-二磷酸果糖。C3C46-合成细胞壁组分，和各种细胞外物质及储备多糖。好氧生物的能量代谢在葡萄糖代谢和三羧酸循环中已经讲过，如何把各种代谢中间产物的氧化过程与辅因子（NAD+、NADP+、还原为其还原型（NADH、NADPH、的还原反应过程联系起来的。这些产物的还原性是由一系列复杂的反应ATP2-32.14。。。。每摩尔葡萄糖经过恩伯纳-迈耶霍夫途径所生成的ATPATP2.1。ATP原性（接受氢离子或者电子，经过氧化可以有效释放电子到下一个载体上。每个载体都有不同的氧化-还原能，大约可以从NADH/NAD+反应的320摩尔到1/2O2/H2O800mV氧化-。ATPATPase的协助。ATPasepHATPase。ATPase是定向作用的，质子只能从一边靠近催化位点，2.15对这个概念进行了简单说明。ATPATP磷酸化。这种中间产物称为偶联因子。两种理论个具有优缺点，都可以解释不成对氧化磷酸化作用产生的影响，如鱼藤酮、安必妥、抗霉素A等。它们可以阻止ATP的合成。厌氧生物能量生成过程2.5ATP（如大多数细菌）有。ATP合成反应与能量生成反应相联系，ATP2.2632.2123CoA酸酮醇酶作用的。CoACoA3种反应中的铁氧还蛋白不是NAD+作为还原剂（还原型铁氧还蛋白被氢化酶还原为铁氧蛋白，释放出氢气）这三种酶中，后两种对氧敏感，当含有它们的有机体被暴露于空气中的时候，它们便会迅速失活。越来越多的证据表明，电子传递磷酸化同样可以进行延胡羧酸还原酶的反。。。所有的厌氧有机体都面临两个问题：第一，在氧化磷酸化作用中，缺少将NADH或NADPH的再氧化与ATP的生成相联系。每摩尔底物所生成的ATP比好氧代谢产生的少。第二，不能将NADH的氧化与氧气的还原相联系，这如何进行这个重要的反应就成为一个问题，当所有的 NAD+不可逆的转化为NADH，代谢过程也就很快被停止。2厌氧生物采用很多方法使还原型辅因子重新被氧化其中的核心部分为。这里，由AH A这步是厌氧生物利用底物时所采用的途径中的一部分222 通常，底物B一旦形成，就AHBH22 厌氧代谢2NADHNADPH2

是非常普遍的现象，同时产生相应的各种终产物，因此对厌氧代谢途径的描述也就是个体将积累何种α-α-酮戊二酸。发酵产酒精（反应式）12NADH，总的化学计量如下式：ATP为酵母细胞的生长提供能量，但是由表2.1中比较得知，每摩尔葡萄糖在好氧条件下转化的量少于5%。C5和C412NADPH1NADH。这些附属的还原性物质必须与其它反应相连从而被重新氧化。合物，其合成过程需要大量的相应的还原性物质。常被细胞吸收并以醋酸的形式作为生长底物而被利用。乳酸发酵史意义。-ATPNAD+3-后经过乳酸脱氢酶的作用转化为乳酸。D-酸杆菌则生产两种乳酸的混合物，主要是乳酸脱氢酶的不同。丙酸发酵CoA直接来源。CoA经过内部转羧化作用，由琥珀酸CoA重新生成（经苹果酸、延胡羧酸和琥珀酸2NADHNA+。2NADH重新氧化。丁二醇发酵2丁二醇，只有最后一步反应NADH0.5NAD+体也可将丙酮酸转化为其他产物包括乳酸和甲酸。甲酸发酵CoA+CoANADH从而避CoA经过醛脱氢酶作用转化为乙醛。NADH的过程与酵母产酒精过程是不同的。丁酸发酵propan-2-ol2.17的代谢流程，由羧状芽孢杆菌进行生产。有一些不同的是，某些羧状芽孢杆菌生产丁酸、乙酸、CO2和H2由于所选用的物种和菌株以及培养条件的不同，终产物所占的比例也就发生变化。miscellaneous生物合成与生长100生物细胞含有的酶的种类大约为细菌中的2倍。细胞中所有的大分子物质是由100多种单体而组成的（蛋白质、核酸、多糖等2.18总结概括了这些单体物质生物合成途径（氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸、糖等。这些生物合成途径在没有天然物质供给的情况下。这种控制机制在这个部分讲述。控制机制营养物的吸收就会停止后面营养物的摄入。区分第二种形式的代谢控制是利用细胞间隔或是细胞器以实现对代谢产物库的（液泡、细胞核、叶绿体等。2.8.1..3酶合成控制失，进行物质合成的酶又将会重新出现，其合成过程称为去阻遏。蛋白质（包括所有的酶）RNA系列添加氨基酸而合成2.19。确保氨基酸的正确顺序的密码位于RNA上，而信使RNA是DNA的一个片断进行复制而在细胞染色体内合成的。这个过程由依赖DNARNA转录。众所周知，染色体是由DNA双螺旋按照精确排序的碱基组成的：腺嘌呤，胞嘧啶C，胸腺嘧啶T）DNAATCGDNA以这样的方式进行复制，从而保留遗传信息或者密RNADNADNAmRNA读取整条DNAmRNADNA链上的一小部分。mRNA上，而且在核糖体中，mRNA个，转译UCA代表着丝氨酸而CAG代表谷氨酸；因此，当黏附于核糖体的mRNA遇到UCACAG那么就会生成丝-谷氨酸。以共价键连接在特殊转移RNA（tRNA）mRNA3个碱基。氨酰-tRNA元，它被核糖体利用从而合成不断增长的肽链。mRNA（些功能酶由不只一个蛋白质构成，例如丙酮酸脱氢酶。每个基因都可以被多次转录，染色体中就不是仅有这个基因的一个拷贝，从而遗传信息就被扩大了。解释。尽管如此，细菌系统中的调控机制是可以说明的。由DNA生成mRNA的过程是由染色体上编码诱导蛋白或者阻遏蛋白2.20DNA上被称为调节基因mRNA耗完（常常是它诱导的代谢途径，那么酶将停止合成。当某个分子常常是代谢终产物与阻遏蛋白作用生成一种封锁操纵基因产物将不再结合到操纵基因上，结构基因开始转录，同时终产物又重新开始合成。分解代谢阻遏这种代谢调控是对已建立的酶的诱导与阻遏调控的这种想法的延伸，通过能够以最少的能量消耗对其进行利用。2.21化合物环化腺苷酸（cAMP，它的磷酸基团连接在核糖部分的3’和5’-从而形成磷酯。cAMPATP生成，它与特定的受体蛋（CRP=环化腺苷酸受体蛋白其正向促进一个操纵子的转录。磷酸二酯cAMPAMP，cAMP2.2葡萄糖代谢的各种产物看上去都是腺苷酸环化酶的强抑制剂[2.8.1.5（b）]，只要这些物质存在于细胞中（暗示有连续的可利用的葡萄糖存在）CRP复合物控制的某些操纵子的转录将无法进行。分解代谢阻遏对控制厌氧代谢方式有重要影响，尤其在“次级代谢生物合成”现象中。酶活性修饰一旦酶被合成，它的活性就可以通过很多手段进行修饰。转录后修饰价吸附作用来相互转化（AMPUMP（2.22。进行这种代谢的例子有大肠杆菌中的谷氨酸合成酶（酸合成酶对细胞精细调节主要代谢中间产物谷氨酸与谷氨酰胺的库容量）和粗糙脓胞杆菌中的糖原磷酸化酶。效应物作用反馈抑制反馈抑制与酶合成阻遏有相同的作用，也是因为过量终产物的存在而提供串联控制，需要较长的时间来完成。酸、嘌呤、嘧啶和其它单体物质的代谢途径中。物的时候。这里重要的是，如果三种终产物GJ中的一个达到了他的最Ff，反应c50%a33%。因此，从A开始，先是B2/32HD，而是生成DG，HJ。a，的反馈抑制作用是敏感的，第二个是对G敏感，第三个则是对HCFG的反馈抑制。合成途径中以及苏氨酸、甲硫氨酸与赖氨酸的生物合成过程中。、ADP、AMP、NAD(P)H是某个特定的酶的正效应物或负效应物。例如，三羧酸循环中ATPATP是与循环反反馈抑制。要的代谢过程中的酶。酶的降解同步代谢与生长我们已经知道了细胞是怎样控制它们的许多组分的生物合成从而合成适量的能量，消耗最少的能量，并以最快的速度进行生长。聚-羟基丁酸、脂肪、糖原和其它多糖。如果处于“饥饿”状态，没有外来碳物来说就显得不那么重要了。在正常的情况下，如果所有的必需养分都能供应，则微生物就能生长。（酵罐中的物质，直到某些养分被耗尽或积累的某些产物抑制了有机体的生长，2.23DNADNA复制的速率。细胞生长速率以倍增时间2及比生长速率（μ）表示单位重量的已有细胞物质合成新物质的速率。这两个量。。。。DNA合成的最终速度，或者是细胞吸收某一特定养分的速度，或者是细胞的某部分如细胞壁的装配速度。倍增时间可以从Behakeanatriegens1030分钟或更长，而某些则需要几天。2.3例出了例子。DNA复制细胞分裂制基因的表达和调控基因产物（酶蛋白）的活性。在一个快速增长的细胞中，DNA2DNA染色体，真核生物细胞含有多条独立的染色体。在母细胞和子细胞更为复杂。染色体分配的过程将通过减数分裂来进行，经过DNA体将分配到生殖细胞中。DNA2.24解链与互补新链的合成发生在同一个分离末端。在细菌中，同一时刻有多个复制叉发挥作用，所以基因可以极快的速度进行DNA配体细胞在分裂隔膜形成前DNADNA就是这个蛋白引发隔膜的形成和细胞分裂。DNAATP从而线粒体的数量就比较少。尽管载有遗传信息的DNA能够精确复制从而使子细胞带有与它们父母相同的染色体图谱108-110细胞分裂中有一个突变体，或者被诱导生成，通过将生物体暴露于DNA突变剂体在发酵过程中对于提高产量来说是很有益的，尽管这样，从成千上万个不需要的突变体中寻找我们想要的那个突变体是一个漫长的过程。死性的从而细胞就不能生长。一般很少数量的突变体能够存活下来，但由于在0.001%10000个生物。微生物生长速率微生物生长的速率常常以每消耗单位重量的底物所生成的细胞数量的形式摩尔生长率是细胞量（干重）碳转化系数是细胞量与每克含碳底物的比值，这个对于不同分子大小的底物之间的比较更有意2.4定情况下（尤其是处于低生长率情况下，用于细胞生长的底物的利用是不完全的。2.4ATP产量的减少相关。经验上，实际的生长率取决于很多因素：碳源的性质底物分解代谢途径任何复杂底物的供应（排除某些合成途径）（NH3所需要的能量少，而比以氮作为氮源所需要的能量多。ATP生成反应的速率抑制剂，不利离子的平衡，或者其他培养基组分，需要转运体系的参与。展，常常是大量的而且不同的发展过程必须要保持不同质量与能量的平衡。在连续培养系统中，细胞的生长速度和营养状态时可以进行控制的，进一步的影响因素有：中，对过量含碳底物的分解代谢将进入耗能代谢途径。所允许的生长速率作为最终控制微生物活动各个方面的因素，必须要补充：微生物的倾向与微生物学家的能力第三章应用遗传学合和重组DNA技术的使用使得通过采用新方法就能将有用的遗传特征直接插入（capabilities且尤其是微生物以及小部分植物和动物细胞就超越了它们天生所赋予的遗传能力而生产物质。人不快的味道、颜色或者粘质物。一个成功的工业化培养物应该最终具有大部分或者全部下列特点：这个培养必须是纯培养物，遗传稳定；容易繁殖；具有快速生长的特点；具有良好的产品形成速度；不产生有毒的副产品；并且能够行基因操作。工业上所用的培养物通常有三种应用（1行研究已寻找一种有用的产品（2得了重要性；和（3）作为一种生产培养物——一个研究培养物现在实际上用来进行工业化生产。息，消除不要的特点或者甚至是引入整个新的遗传信息。寻找所要的有机体并且提高它的性能（capabilities）过程的最基本的方面（3.1菌株改造流程图）选择与筛选在生物技术的所有方面中，最主要的精力都用在了筛选程序上,以通过突变或者杂交程序包括遗传设计的途径，从天然资源evaluatio。筛选可以定义为利用高效选择程序从庞大的养基组分的情况下。中于这类群体。在从环境中为生物工程寻找新的微生物的过程中，一般有三种可行性的选（3.1造。过实验操作从现存的基因组制造新的基因组同样花费了大部分的精力。通过突体进行改造（3.1生产微生物的创造。些形式的筛选。筛选程序的设计对实现最大程度的认知新基因性来说是很重要的。筛选可分为两个基本形式：无选择的随机筛选对所有分离物进行单独检测，以获得所要的性质比率筛选在这个过程中，会进行某些方面的预筛选。Agar琼脂板技术加快了这个过程，但这个方法最好是用作在使用摇瓶之前作为一种录下来。相反的比率筛选更多的是利用了特定产物形成的生物化学知识建立一个选择过程这个过程利用了所要的基因型的一个特点这个特点不是特定的有益的那一个，但必须是很容易进行评价scored或者assayed化验。比率筛选应该选择的杀死所有不需要的基因型从而允许routinely检测更多的分离物。因此，最近已表明in Cephalosporiumacremonium抗生素的生产与蛋白水解活性proteolyticactivity相关,这说明了进行筛选一个可能的基础。当筛选过程完成以及有潜在价值的微生物分离后，效率的最终证明来自生产specificrate（生产菌）境控制参数进行改造。的遗传事件的发生。菌种保藏而被很好的保守。实际上，大部分工业微生物通过下列的程序被保存的：在琼脂培养基上进行规律性接种；利用还原性代谢产物——矿物油的覆盖、冷藏或者冷冻储存；干燥——干燥的沙子、硅胶或者滤纸；泛采用；在超低温下冰冻保存（-70―-196用范围广而且存活率高。有不同程度的不稳定性而且保藏必须以获得最小的菌种漂移为目标。体进行改造的各种各样的技术。诱变作用（自然发生或者是诱导发生CephalosporuimAspergillusspecies生产酶，用各种菌种生产氨基酸以及其他大量的工业微生物。诱变作用还无法被更新的基因工程技术所代替。变的菌株中进行选择。有许多关于经重要突变所生产的改造工业菌株生产出更有效验的产品的例StreptomycesS.aureofaciensS-6046-demethyltetracycline菌株合成的。这个突变现在是一个重要的商业化程序。产物带来小的改变（5%-10%）而没有任何表型表现。连续的利用小的突变可能Penicilliiumchrysogenum菌株一样有着特殊的价值。诱变剂的选择DNA损伤类型的直接结果而是细胞DNA修复过程作用于损伤处使其在碱基序列上发生了固定的改动的结果。能够C、5-这样的方式，当对整个群体进行筛选的时候，鉴定的机会就会增加。重要的由于其中有些增变菌株在诱变作用后能够使在每个存活的菌株中的诱变菌株的频率增高，这将提供了一个有效的输入。变作用后在完全培养基上进行生长而不是基本培养基将会增大诱变体的产量。大部分生物有一种机制就是与其他相似的但是基因不同的单体进行核物质有性杂交在有性杂交过程中，来自相反配体类型的单倍体核子被带入到一个细胞中（核配：核子最终融合形成一个二倍体核子然后经历减数分裂。在减数分裂过（3.2裂。这个同源重组对于产生新的基因型来说是很有效的。这样，如果两个有机n2n122124096个基因型。。。。被除去了。准性过程目前在生物工程中应用的重要的有机体几乎没有明显的有性重组能力。然数分裂的基因重组过程。细菌中的接合是将遗传信息通过细胞与细胞的联接从一个细胞转移到另一子（图3.3(a)准性过程机制。它是最为适用的转移方法之一并且对于种内和种至在涉及高频率重组株和相关菌株的例外情况下，一个外来遗传元素一旦是质DNADNA纤毛的细胞包含有额外的遗传元素，FStreptomycesNocardiaju用。转导是通过病毒载体将遗传物质从一个细胞转移到另一个细胞并通过重组进行随后的合并（图3.3(b)准性过程机制。溶源性噬菌体将部分细菌基因组整合到自身的基因组上，转移这个细菌基因到另一个宿主细胞中并在合适的条件下，这个细菌DNAPruteenprocess40（SV40）质，它有着特殊的价值。这就是花菜花斑病毒（CMVDNA的应用。DNA被吸收并且被另一个细胞稳定的维持，转化在细菌中有广泛的作用（3.3(c)准性过程机制Streptomyces的转化正在广泛并迅速的发展，但是到现在为止在丝状真菌和植物与动物细胞中只有有限成功的转化。转化的DNA可以经（大约为大肠杆菌的0.110-100.subtilis比，大的质粒DNA法，其利用质粒作为运输工具，将在本章的后面内容中进行讨论。；少数相反核子发生细胞核融合（频率为10-6；在二倍体核子中进行有丝分裂交换使染色体间发生交换（10-2每细胞核分裂；当二倍体核子被还原到单倍10-3的频率进行单倍体化3.4有丝分裂性重组过程。这种有丝分裂性重组可进行可能的基因分析并在无性循环的有、AspergillusoryzaseCephalosporiumacremonium。实现准性杂交最主要的就是将所要的细胞进行融合。由于同种和异种间的不DNA感染细胞。thecalier制备原生质。snail定剂（osmoticstabilizer）和有机体。酵母原生质体可以用蜗牛消化液的商业制品作为蜗牛酶或者硫酸酯酶来进的产生，从而生产出重要的低分子量能量物质。体，这说明在生长周期中细胞壁的化学成分发生了变化。定剂的话，被释放出的原生质体将很快破裂（burs。大部分原生质体能够生产出新的细胞壁，随后就能完全回转进行正常生长。这样，如果在分离的融合原生质体间发生了有丝分裂性重组，那么随后的的回复就会导致一个遗传改变的和可进行繁殖的有机体。PEG1000PEG诱导的真菌原生质体的融合方法学研究表明在浓度为25-40%的溶液中用分子量为4000或6000PEG离子的存在对于获得高频率的融合来（extensive）水解过程和聚集物（aggregate）的形成引起的。随后原生质体收缩并高度变形。这个过程还可改变允许物质通过的细胞外膜的渗透性，所包裹的基因的大小。前者形成了一个二倍体杂合子而后者形成一个二倍体纯合子（homozygou。这个混合有单倍体和二倍体细胞核的融合原生质体就可以通过正常的繁殖过程再生出一个生长的有机体。在生长期，这个二倍体细胞核分裂期间伴随偶然的（occasional）有丝分裂优点。这时（where）分生孢子单体是单核的而且是单倍体。当原生质体融合被用来对工业菌株进行改造，那么就会发生三个事件：产生可变的原生质；高频融合；融合的原生质再生为进行生长的克隆，实现二倍体化和单倍体化。原生质融合看起来是改造s株和其他抗生素生产菌的一种最令人信服的方法。它可以生产出新的抗生素结构并且增加提高产量的基因的库容DNAplant）生质融合对于植物与动物组织培养物来说是改变遗传染色体的一种有价值的方法。殊的遗传元素得到转移的可能。细胞融合直接的细胞融合为单克隆抗体的形成建立了基础——是新型生物工抗体，它只识别一种抗原。卫生保健一直以来的一个领域就是制备疫苗以抵御疫病。疫苗使机体建立合物过于复杂无法通过化学方法进行合成。当把一个外源物质或者微生（抗原引入到一个脊椎动物体内这时通过形成浆细胞，免疫应答反应发生（来自B淋巴细胞，浆细胞分泌的（secret）抗体能够以高度特异性识别、中和并且消除这个抗原。这些抗体是无法分离的所以传统的抗血清含有抗体的混合物然而现在已经知道每个抗体来源于不同的B-淋巴细胞线和由它们衍生的浆细胞。这样，如果一个细胞线能被克隆，那么将有可能只产生一种抗体。不幸的是，浆细胞是不能进行培养的。1975年，KohlerandMilstein 在他们如今著名的实验中证明了生产抗体的淋巴细胞可以与恶性快速增殖的骨髓瘤细胞进行融合这个杂交骨髓瘤细胞或者杂交瘤细胞能够体现淋巴细胞产生特异抗体的性质也能体现骨髓瘤细胞不断增殖的特性这样单克隆抗体就产生了。（3.5的示意图1%丢掉的这个染色体编码我们所想要的那个抗体。物组织培养物。DNA技术DNA化和扩增。由于DNA的删除不包含相关的基因，因此基因克隆使分析和操作方，于这个相比，重组DNA技术主要关控制已知基因产物的少数的个别基因（例如，蛋白质、多肽等等。1978年的基因操作规则定义基因操作“是将通过任何体外方法分离核酸分在过去的十年里，分子生物学有很多重要的发现使得重组DNA技术得到了迅速的发展。特别重要的是不能分解或者限制外源DNA导入到细胞中的大肠杆DNADNA片断在宿主细胞中不能有效地进行DNA2μDNADNADNA连结酶实现的。新合成的载体或者嵌合DNA分子通过转化导入到宿主细胞中例如大肠杆菌、BacillussubtilisorSaccharomyces。同时随着宿主细胞的生长繁殖，载体也就进行复制并扩增外源DNA。完整的基因组是有可能克隆的，这样就产DNADNA分子的文库。一个基因组文库包含生700000克隆单体。通过实验室手段进行筛选。重组DNA一。Timmis（1981）定义为“一个单3.3克隆。如今，这个术语也DNAK-12原则是相似的。3.63.7DNA最基本要求，可以归纳如下：DNADNADNA不会破坏主要的功能。DNA片断或许是原核或者真核微生物的一个染色体片断，或许是动物或植物的一个染色体片断，或者是一段化学合成的DNA序列。DNA分子拼接到载体上的方法。DNA重组体导入到宿主细胞。转化体表达，这个转化体要含有重组质粒。这个新基因技术的最主要的特征就是，它可以实现对DNA片断克隆过程相当大的控制，并且可用于任何有机体的任意DNA片断。质粒这个新技术的基础是质粒。质粒是不需要连接到染色体上就能够进行稳定Rhizobium分子，在宿主细胞中以共价闭环分子（CCC）的形式存在。质粒的分子质1×106200×106。Conjugative共轭质粒可以转移自身的拷贝从DNA碎片。质粒还可DNA克隆的载体。携带抗生素抗性基因的质粒被称为抗性（R）作质粒载体。其中最为常用的克隆大肠杆菌基因的质粒是PBR322，它们赋予了氨苄青霉素和四环素抗性。质粒DNA的分离可以通过溶解细胞并且在含有溴化DNADNA。ColE1经过选择性抑制染色体DNA复制的氯霉素处理，就会进一步大量的（substantial）有选择的扩增质粒DNA。PBR322ColE1PMB1的复制功能基因，质粒的氨苄青霉素抗性基因和质粒pSC101的四环素抗性基因最为选择标记。质粒PBR322含有至少十个内切酶的单一切割位点。限制性核酸内切酶DNADNA和限制性核酸内切酶。甲基化酶以一种特定的方式DNA4-7个碱基对而且是回文的，即（duplex）DNA一条链上的序列与互补链上的相同。大部分有机体都有许多不同的修饰甲基化酶。限制性核酸内切酶与修饰酶鉴别相同的序DNA。然而，核酸内切酶不切割DNADNA上特定序列DNA片断的基础。出现的不同类型的限制性核酸内切酶命名为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型。只有Ⅱ型对这个新的DNA技术而言是重要的。在双链DNA上的准确位置进行双链断裂。通过这样的方式，它们把长的外源DNADNA酸内切酶产生的片断都将和用相同核酸内切酶切割的另一个任意的片断碱基配Eco.Strain或者类型用非斜体符号表示而核酸内切酶的序号用罗马数字表示——EcoRⅠ。不同的核酸内切酶用于生成经过不同的3’-或者5’-四个核苷单链的延伸而产生的不同大小的DNA片断。然后就可以通过电泳纯化DNA片断。EcoRⅠ水解PBR322上的单一靶位点或者用有单一作用靶位点的任何其他的一种限制性核酸内切酶来进行水解，将环状质粒转化为线性DNA分子。26-DNA会产生钝端或者粘性末端，在粘性3’-5’-projectfromtheends4-6-6个碱基对HincDNADNA连结酶以低效率进行连接。EcoRⅠ的切割位点远离中心而且由于酶识别位点的回文DNA40966-4-25635000DNA1000个核苷酸长。DNARNA模copyDN（cDN真核生物的大部分基因的特征。在细菌体内，这种内含子在真核生物DNA转录RNA转录产物。连接到载体可以通过许多方法把DNA片断插入和连结到质粒载体上。E.coliT4DNADNA片断混合物就会在克隆载体DNA这些片断通过粘性末端退火。一个非常低效的连接是“钝头”或者“平头（3.（）DNADNADNA末端和酶来进行有效的连接。DNA的范围。当这样的一个杂交分子形成，它不能被任何一种用来产生原始DNA片断的核酸内切酶切割。酶识别序列的合成的短的多聚核苷酸。现在可用的连接体可以容易的对DNADNA3.8（质粒中容易的分离出来。3末端添加一些脱氧鸟苷残基尾巴和给插入3碱基配对产生连接。质粒与插入的DNA片断形成的新产物称为质粒嵌合体。转化这个将DNA导入细菌体内的技术长期以来都受到青睐，它可以涉及染色体或者质粒DNA。如果涉及的是噬菌体DNA那么发生的就是转染过程。在一个典型的质粒转化实验中，有一个异种DNA分子的混合物，只有少数是由一个单独载体分子连接到一个单独的DNA片断上组成的。0.1M37℃下保温5min使DNADNA的功能。带有杂交分子的细菌通过特定的筛选DNA106个转化子。（个正常的质粒构成，含有λ噬菌体的粘性末端。DNAE.coliBacillussubtilisStreptomyces特殊载体。将这个新的基因工程技术应用到真核生物系统中的大量的研究工作正在进2µDNAE.coliPBR322质粒的双功能质粒，并得到了成功应用。SV40。植物细胞中的克隆还未得到很好的建立：AgrobacteriumtumefaciensTi质粒证明是有用的。在高等植物中，认为重组DNA技术越来越重要，鉴于其在育种中的潜在价转化子的鉴定DNA进入到宿主受体的数量远远少于宿主染色体DNA，所以对于转化片断所表达的产物的鉴定是极其困难的。然而，各种方法DNA序列的克隆。互补某些进入的基因能够与受体染色体上相同基因的缺陷拷贝进行互补：即它们编码一个正常的、有活性的产物，而受体对这基因（编码半乳糖苷酶）个lacz、β半乳糖苷酶缺陷宿主互补产生lacz+Agar上就可以筛选出红色克隆。抗生素抗性基因这些基因赋予正常的敏感细胞对抗生素的抗性。以PBR322质粒为例，它带有四环素和氨苄青霉素抗性基因，从而转化子就可以在含有其中抗生素的培养基上进行筛选：外源DNA常常被克隆到编码另一个不进行筛选的抗性基因上。杂交分析重组DNA或者细胞克隆的一种广泛采用的方法是克DNA上并且被溶解。接着纯化的、可互补的、有放射活性的核酸与硝DNA射自显影技术进行检测。杂交的程度反映了互补体的数量。从一个mRNA模板合成的CopyDNADNA。DNA是否与DNA提供了绘图片断，这个常常是进行序列分析的前提。免疫学方法免疫学方法越来越多的被应用，它主要依赖于抗体的发展，主要作用于蛋白质产物。重组DNA的鉴定是工业克隆程序中高度机密的方面，而且大部分研究结果是限权信息，这成为这些新技术的商业重要性的一个遗憾。重组DNA技术的科研和商业应用是无限的，包括：提高一个特殊基因产物的产量。提高一个特殊终端产物的合成速度，通过克隆附加的酶到有机体内或者通过用定点突变来特异的修改一个酶克隆（例如将大肠杆菌中储备能量的氮途径克隆到ICI 单细胞蛋白有机体Methylophilusmethylotrophus中。通过转移特定的活性将一个有机体剪裁到更想要的宿主有机体中在不远的将来，重组DNA技术对药物产品将会产生重要的影响。现在有可能把来自哺乳动物的基因导入到细菌中并且获得由这些哺乳动物基因编码的产物商业化规模生产的产品。特别重要的化合物包括胰岛素、人生长激素、酶、抗DNAE.coli，一个主要的问题是这个有E.colli产物的基因与另一个外源基因进行融合，这个外源基因的基因产物是被输出的；Bacillussubtilis，它50种的蛋白质，其在外源基因克隆的工业化应用中必将有更大的应用。长期以来，重组DNA的最大潜力应当是在农业中。正在积极地研究将固定Rhizobium相联系的氮固定的结构基因进行转移的可能性。未来，生物工程的许多其他领域包括能量和化学原料及废物处理都将获益于应用遗传学生产出我们所希望的理想有机体的能力。这些重要的技术规定限制了工业化广泛的应用。。。于早期发展阶段。的转化还没有被很好的理解。需要成倍基因参与的处理过程表明了可怕的问题。存在的危险不是质粒被分解，而是经过几代的连续培养，很容易被丢失。嵌合质粒附加的遗传负荷（geneticload）会影响到生长速度，且不含有嵌合质粒的细胞就会过多生长并取代其他的细胞。然而，现在的许多研究表明，质粒的不稳定性是可以解决的，通过对嵌合质粒进行新的改变或者插入或者通过对发酵参数的小心控制。DNA实验的调控DNADNA杂交分子，这引起了社会（3.3态和伦理的隐示。是还是一直保持警惕。专 利 保 护 的 疑问。…？？………………………总结从天然资源、培养物和其他组织中进行选择，或者通过对“inhouse筛选，这个过程中，所有的分离物都以个体来对待for筛选，涉及某些方面的预筛选。上，通过减少代谢活动、干燥、冷冻干燥或者用超低温的方法。生物体的基因组可以通过诱变作用或者各种形式的杂交作用来进行修饰改业应用的最主要的方法包括接合、转导、转化和有丝分裂性重组。乙二醇可以大大提高融合速度。DNADNA或者来自任何DNADNA片断。这些片断然后被插入到载体中像质粒或者噬菌体并且通过DNA连结酶而共价相连。转化是将这些嵌合DNA分子插入到宿主细胞中最主要的方法。宿主细胞的E.coli、S.subtilisS.cerevisiae第四章发酵技术4.1发酵的本质sausageOrientalfermentatio（4.1。butylalcohol,butanediol,（2）生产有用的次级代谢物（代谢物群体其在生产它们的微生物的生命中发挥的作用好像不能很快的被认识到）像青霉素、链霉素、土孢菌素、头孢菌素、赤霉素、生物碱、放线菌素；和蛋白酶、果胶酶或者胞内酶像转化酶、天冬酰胺酶、尿酸氧化酶、限制性核酸内DNA连结酶。最近，发酵技术开始利用高等植物和动物细胞进行我们所limitedexception,性方面的考虑。商业发酵过程在本质上是非常相似的，不管选择的是什么有机体、用的是重复，用相同量的原料、液体培养基和细胞接种物生产出相同量的产物。在生物工程中，处理过程可认为是成本转化（conversioncostintensive）或recoverycostintensiveconversioncostintensiverecoverycostP是减少成本的主要标4.2分辨了生物工程中所采用的各种培养方法。用于生物工程的生物反应器有三种主要的操作方式和两种形式的生物催化。（反应可以在稳定的或者搅动的（agitated）培养液中，在有氧或者无氧、水溶液或者低湿度（固体底物发酵）Biocatalyst可以是处于生长状态或者不处于生长状态的细胞或者是分离的酶用作可溶的或固定的catalyst。总体上，近中性）和温度条件下进streams就相对被稀释了。对生物反应器过程的优化包括减少原料（例如，养分、前体、酸/碱、空气）和能量（能量消耗以平均每年16%的速度上涨）的使用，在回收前提高broth中产物的纯度和质量。过程优化是通过控制过程的物理和化学参数来实现的。表列出了过程变化的范围它对于过程的发展是重要的并且在后面进行讨论。注的用于产品形成的微生物细胞。器与特定类型的固定化微生物细胞系统一起将在第五章中讲述。水溶液系统中微生物培养的原理有机体的生长可以看作是以质量形式或是以细胞数目形式所反映的细胞物质的增加，而且是高度一致的一系列骤的结果。（质量传递pH。生物反应器中细胞物质或者是生物体的数量由重量干重、湿重、DNA或者蛋白质）numerically（用细胞数）时间（td）指生物体重量倍增所需要的时间，而传代时间（g）指细胞数倍增所需要的时间。在平衡生长或者指数生长过程中，当生长过程只由细胞固有的intrinsicgtd0.25-11.15-22-6.920-40。15min0，的经典研究得到表述生物S1）是培养基中一种底物的浓度，与其它重要的养分相比，这种maxKs代表一个饱和常max数。Ks为底物浓度，此时μ=μ/2。这样，如果把底物浓度一直保持为一个合max适的值（对于连续培养是重要的0到μmax之间。对生长过程关键养分的鉴定和进行生长所需要的最佳条件来源于分批式与连续式生物反应器系统。有机体浓度的增加速率比生长速率是有机体浓度的单位增加速率（1/x（d/dt。微生物生长与底物利Y（2）Yover生长过程的任何时间段。知道了三种生长常数μ、KsY的意义，方程式（1）和（2）就给出了max一次分批式发酵生长周期的完整数量描述。pHinoculum续不断的向生物反应器供应空气。4.1示意了微生物分批生长的复杂的本质。最开始的滞后期是induecoure。inoculum的生理条件被认为不仅是滞后期持续时间的一个主要影响因素而且还影响未来生长过程和形inoculum。然而，在max。跟随这个降速期之后的是稳定期，在稳max定期，由于养分已经耗尽，整体生长将不再进行。生物体平衡产生，因为生长速率=死亡速率optimally抗生素。周期的最后一个时期是死亡期，此时比生长速率为负值（<胞裂解。。optimally恒定的速率和恒定不变的环境中进行生长。像pH素在分批式培养的生长周期中必定会发生变化，而在连续式培养却可以保持恒发挥的作用的真实信息。在一个完全混合的连续式培养系统中，无菌培养基以稳定的流速（f）流加culturebroth从此开始以同样的速率以保持培养体积为容器（v）常数。通过有效的混合，流入的培养基被迅速统一的分散到生物反应器a）增大原因是这些组分流入到生物反应器中——等于通过流体中组分溶液而增大（b）降低原因是这些组分的流出（）d）（）产物和生物体的增加。，D=/，或者每小时整个体积数的变化。在培养容器中，一个1/D间里，有相等的离开或者被洗出的能力。有机体的增加以简单的方程给出：增加=生长-放出dx/dt=μx-Dx当为正值，细胞浓度升高；当为负值，细胞洗出；当x是常数。在这种情况下，形成稳定状态，有机体的浓度随时间不发生变化。s的net速率：增加=输入-输出-消耗=输入-输出-生长/生长得率系数当稀释率超过μ

dx/dt=DS-Ds-μx/YmaxR时，有机体洗出。maxR当一个连续培养系统被看作一个生产系统（例如SCP）过程的时候，它的performances（1）单位时间产生的细胞数——ouput和（2）单位重量的底物生成的细胞数——有效生长速率或产量系数。在稳定状ouputouputμ。实际上，将高ouput与底物的max有效利用相连的最大生产效率可以通过流出速度或低于最大ouput很不相同的。的分批培养。这个方法在工业中被广泛使用，例如，在面包酵母的生产中。PirtFiechter所编的书。生物反应器设计生长和代谢活动提供正确的环境条件；它必须阻止周围环境对生产培养物的污进行控制（4.5生物反应器设计的基本标准。asepticcondition物，产生破坏下游处理过程的物质，而且还将有毒物质引入到系统中。为了防止出现这个问题，培养基、生物反应器和所有附属工具（pipework）（常用高压蒸汽wool去除去进行外部灭菌。在发酵工业中，会有污染微生物确实进入到生物反应器中并产200m3charginganddischargingthevessel混合和通气速率是必要的。highlypolished是重要的工作参数。采用的是分批或者半连续培养方法。分批和半连续培养技术在工业中的主导地位出于以下一些原因或者全部原因。在任意设定的时间内，所需要的产物相对数量较小。市场要求canbeintermittent某些产物的储存期限短。需要高的产物浓度以优化下游处理过程。某些产物只在生长周期的稳定期才产生。regularrenewal.连续过程有许多技术难题。尽管工业生物反应器有许多设计，但是建立已久的连续搅拌釜式反应器CSTR）或者容器一直被广泛使用4.2(a。在没有机械搅拌的生物反应器中，例如，塔式或者环路式生物反应器，通过通入气体来实现搅拌4.2(b已被广为采纳。决定可以容易的进行改动的可变系统将是人们所喜欢的。CSTR1940s1950s工业生产青霉素。它常为一个完cylinder10%shaftwithoverheaddrive带有一个或者多个搅拌浆叶取决于径高比。搅拌浆叶常常位于中间位置与罐直径相等alongtheshaft3-5aremounted进行良好的搅拌和分散于系统高度（4.2(a。这种搅拌CSTR如4.3所示。（图4.CSTRsparinglyvigorousaretationofthebroth来支持。搅拌以三种方式影响氧传递系数K（1）碎为小的气泡增大气体与液体之间的接触面积（2器中的流失，和（3）turbulentshearfilm厚度。6:（4.2(b)shear的影响很少。环路式生物反应器在特定的方liquidbulkflo（4.2(cdrafttubes来实现。90%量以甲烷的形式回收，5-10%的能量用于新微生物的形成，而约有3%60%40%作为过程中热量而损失。CST（4.2(d30thehydraulicretentiontime(反应器中水滞留的平均时间)使废水有效的稳定而获得高的甲烷产量。对于食品和发酵retentiontimeretentiontime（uncouopled例如，城市污水，需要非常长的固体retentiontime，而且这只能通过流动床过程来实现（见第五章。气用来做饭和照明，以及垃圾的净化，其后来成为一种很好的肥料，4kg，mean101立方米气体。激活的污水sludge些过程采用的是分批或者连续搅拌生物反应器系统以增加空气的通入来优化有机物质的氧化分解（图4.2(e。这些生物反应器是很大的，为了使其发挥最佳物摄取氧。由于它们开放式的本质，有时候会出现气味的问题。工业废物废水的厌氧生物处理较为采纳的原因是：通气时不需要能量；有机物质高效的转化为生物气，用来作为燃料；没有气味问题；surplussludge；经过显微操作，可以生产出高附加值的产物。培养基设计素。对于异氧微生物来说，最基本的营养要求是能量或者碳源、一种可利用的氮源，无机物组分及对于某些微生物还要有生长因子。对于大多数生物工程过程，（4.6自来水中或者主要的初原料中常含有足量的稀有金属。当需要生长因子的时候，B族维生素或者相关化合物，特定的氨基酸和pHpH类型是重要的。对大多数过程而言，营养物质必须溶于水。在分批系统中，初体积（半连续培养，对分批培养中的发酵反应进一步进行调控。通过这种方式，维大的生理控制。paramount于处理和储存成本、配制过程的容易性及灭菌，同时还需要考虑到健康和安全性。发酵过程中培养基的配制和特定养分的可利用性对产物的优化有着极大的影响。因此，如果发酵的目的是生物体或者是一种生长产物（growth-asscoiated）的话，培养基就必须能进行最大潜能的生长。对不是生长限制性的化合物，例如有机酸、抗生素等等，在初生长期后，培养基要成为一种或者多种养分的缺陷型。的发酵过程中，也采用递增或者连续的补加一种浓缩的组分的方式。一种工业培养基的组成不仅基于发酵时期的需要而且基于后续的纯化步骤。培养基配制也应该以生产afinalfermentationbroth为目标，这个fermentationbroth要黏度低，具有易分离的细胞质量mass)（specifications）的残余化合物少。培养基的灭菌方法应以对培养基组分或者参与的矿物质的最小程度的温度100是脆弱的（laible）而且会被破坏。在这种情况下，其他可采用的灭菌方法包括过滤或者射线照射。对于多数培养基，分批灭菌仍是所选择的方法，尽管连续灭菌已被广泛采120℃的温度下经过短时间处理可有效的杀死孢子，而接着培养基穿过一个线圈（holdingcoil，在这个温度下维持所预定的时间，最/瞬时灭菌过程提高仪器化（instrumentation）和生物反应器的过程控制所有的生命有机体都受到大范围的（awiderangeof）细胞内和细胞外调控pH（见4.4。生物反应器的仪器化对于控制特定参数、对它们进行记录、然后用这些信息（4.7生物反应器控制措施可以以在线或者离线方式进行。对于在线控制，传感器直接安装在过程流stream）中，然而对于离线控制，一个样品从过程缺乏有效的用于控制的传感器是发酵技术发展中的一个主要的障碍bottlenec。在线控制的比较典型的传感器类型有那些用于温度、p液体和气体流速、CO2O2测定的传感器。完整的生物反应器过程仍由于缺乏DNA、RNA、酶及生物体这些重要的变量进行控制的可靠工具而受到小时后才可以利用，所以它们不能用来进行快速控制。一些已证明比较好的在线系统将通过某些未来的工程化在线控制技术来进行检验。控制技术温度温度通过对反映速率的动力学作用和对酶活性和稳定的催化作用影响生物过程。有许多能调节生物反应器温度的传感器类型包括thermocouples,resistancethermometers,thermistorsandcapillaries.pHpHpHpHpH值不同。pHpH传感器或者离子-性电极在生物反应器中广泛应用。现代pH的处理。溶解氧生物反应器中应用的多数有机体需要氧的连续供应。溶解氧（DO）探DODO需要耗掉大量的时间而且不耐受反复的灭菌。生物反应器的摄氧速率可采用顺磁氧分析仪或者质谱仪来测定输入与输出气流氧的浓度而获得，质谱仪速度很快但是非常昂贵。CO2fermentationbrothCO2膜包裹的酶电极现在用于溶解的CO2的测定，但它们昂贵而且不稳定。对气相CO2spectrophotometric,气相色谱或者质谱的方法。固定化酶探头这些新一代的探头是将酶固定于靠近一种电化学传感器的表面DOCO2sucrose、urea、丙酮酸、青霉素、乙醇、乳酸盐、甲烷、胆固醇及一些氨基酸。它们应答时间长，不能进行蒸汽灭菌、难用于在线控制环路。但是，确定的是，酶探头的专一性与无限的应用空间使它成为未来发酵技术发展的一个令人振奋的领域。生物体于氧气与二氧化碳物质平衡的间接方法。实际中，生物体包括蛋白质、DNARNA仍是耗时的离线测定。数据处理析、限制性图谱的绘制、分子过程的加速及实验设计和调试。质量和能量传递生长及有机体的生物活质量和能量的传递过程是一切发酵过程的主要部分。促进（furtherance）源于化学工程实践。质量传递一切生物反应过程的中心是供给适量的养分以满足微生物代谢的需要，达到最适生长和产物形成。（倒装）（进入到微生（resistance连续相常常是液体（水溶液或者非水溶液）但也可以是气体的，而分散相可以（CO2（碳水化合物（pellets、絮凝物、固定化细胞或者固体基质，质量传递的障碍位置如4.5所示。或溶氧浓度的测定对于获知过程中氧对于微生物的可利用性是重要的。采用orifice大小与发酵液中它们上升的速度（velocity）一同决定了氧的传递速率。在没有上升的速度。相反的，在机械搅拌反应器中（CSTRbulk程度及液体的物理性质而不是设计的orifice将反作用于氧的传递。发酵过程中，穿越固/液间阻碍的质量传递不受到整个系统水解动力学的严重影响。所有的传递过程都是经过分子渗透实现的，氧分（包括氧需氧发酵可视为气/液间质量传递步骤、液/固间质量传递步骤及化学或生物化学反应步骤。混合作用对于气/液间质量传递步骤的影响大于液/固间质量传递步骤。bulk流动伴随着混合过程，通过经由机械搅拌或者液体湍流运动而产生的湍流eddies空气与养分尤为重要。axialandradialdispersion以确保完全保留所有生物反应部分中的发酵组分（培养基和微生物。很少能够完全的保留这些组分，而且在大规模的发酵过程中，快速和近乎一致的（uniform）分散添加的组分要通ICIPruteen2600entrypointsbrothisnon-Newtonian（牛顿型）且高黏度，就一直会有生物反应的部分体积是stagnant而且不能充分参与整axialdispersionradialdispersion为无限大（infinite）plugflow生物反应就发生了。broth的充分混合会产生良好的质量传递速率和随后高的生产力。实际paralleled通过降低操作成本以增大经济回报。传统的CSTR设计需要输入高能量powe，并且能够对用一个插入的通流管（环路反应）holdup的气体的流动形式进行有力的控制。能量传递生物反应过程中能量由四种主要的来源而产生。其通过各种途径而消散最终以热量的形式体现出来。gassingand：某些能量在鼓泡器的洞口处消散，并产生湍流eddies，尽管许多这种类型的能量是当气体向上运动时，所受液体静压头减小而膨胀的结果。：生物反应中的微生物氧化有机物分子并且某些这样的能量以热量的形式消散。stream。在一个生物反应中产生热量就会引起发酵broth的温度超过最适的生产温例子如4.6ambient许通过上述机制产生热量，也要求热量维持一个最适的温度。放大pilot植物水平而后是商业规模的能力。过程放大的成功实现必须遵（动物细胞等4.7。pilot规模的生物反应器。在从一种规模的操作转变到另一种规（4.84.8，而另一些则可以由工程人员进行控制。现实中的pilotplant就是一个大规模的实验室，它能弹性的容纳仪器设备（生物反应器、泵、热交换器、储存设施、电的和piping服务，等等）pilotplant都有各自的特点和设计要求。pilotplant生物反应器的总体积由100到10000L，而且较大一些的pilot生物反应器有时候被用作生产单元。完全工业化规模的生物反应器的体积范围是40000到400000L。固体基质发酵固体基质发酵是微生物在不含自由水和几乎不含自由水的固体物质上进行生长4.9。固体基质发酵的最高阶段（例如，在明显的出现自由水之前）12%的时候，生物活动停止进行，因此当靠近这个值的过程中，微生物活动被大大减缓retarde。固体基质发酵不是浆状物的发酵（像含有大量不溶性固体的液体也不是在液体培养基中固体物质的发酵。固体基质发酵中最普遍应用的是cerealgrains,legumeseeds,ensiling、蘑菇培养和奶酪的生产为中心。木素纤维素的固体基质发酵将生产过程的决定因素取决于当于液体发酵相比时的经济性。在固体基质发酵下生长良好的微生物类型主要由水活度因子物的aw从数量上反映了进行微生物活动所要求的水分。（公式）

决定。底式中ν=形成的离子数，m=溶液的摩尔浓度，φ=摩尔渗透系数，而55.5=纯水溶液的摩尔浓度。aw=1.00，awaw0.6-0.7间进行生长。在低aw殖的微生物总体上是出现在固体基质发酵中的主要微生物。微生物类型固体基质发酵以多种不同的形式进行，取决于应用的微生物是本地生长的，还是纯培养物或者是混合培养物。应用本地生长的微生物区系进行的发酵主要是ensilingandcompostingEnsiling25-301-2周。Lactobacillusbulgarius是主要的微生物，生产乳酸，随后抑制潜在的引起腐烂的细菌，而且50-65%的湿度是关键的，这样保证耐渗透composting涉及从嗜温细菌、thermophilicactinomycetes及真菌的一系列微生物。生物活动产生的热量是一个严重的问题，compost应该转为避免进行灭菌。蘑菇生产的Composting是最为成功的创造性的应用木素纤维素物质的手段之一。利用真菌的纯培养物进行的固体基质发酵最好的说明是用真菌AspergillusoryzaeKojiA.oryzae，并在trays窄层中进行生长或者在一种特殊的旋转生物反应器中生长以生产出淀Koji过程是其他类型发酵的基础包括商品酶的生产、有机酸和乙醇。Koji过程也正在寻求新的应用以从淀粉类物质（Raimbault/Alazardprocess）和纤维素类物质（Waterloo某些固体基质发酵能够巧妙的利用混合培养物接种以实现优化的终产物形ChaetomiumcellulolyticumandCandiadalipolytica木素纤维素物质的低技术转化有巨大的潜力。许多固体基质发酵的一个特征是需要对原料进行预处理以提高养分的可利ballmilling。预处理的成本要与产品的价值相平衡。固体基质发酵过程的设计进一步受到创建良好的质量和热量传递特点的需的质量传递步骤。微粒间的质量传递。多数发酵应用的是厌氧微生物并且把氧运送到有实际中，令人满意的微粒间氧的传递通过小心的混合和通气来实现。基质中氧CO2的形成也是关键的。微粒内的质量传递基质载体上的渗入动力学机制还远远无法被了解。微粒内的质量传递还涉及将不溶于水的多聚物水解为能被生长的真菌利用结构的基质比那些有着较少空隙表面的基而且已经表明依赖酶复合物——纤维素酶的作用，包括三种类型的反应：内切-β-1，4糖为终产物。外切-β-1，4纤维二糖。纤维二糖酶或者β-葡糖苷酶主要作用于纤维二糖而形成葡萄糖。热量传递Acorollarytothis是当发酵温度特别低，那么减少通气就会提升操生物反应器固体基质发酵可以分为：无搅拌发酵、间隔搅拌发酵和连续搅拌发酵三种。不进行通气的发酵包括ensiling和有限范围的compostingprocesses，对它们不作进一步考虑。后两种类型的发酵可进一步再分为：无强制通气的间隔搅拌发酵（4.8；无强制通气的慢速连续搅拌发酵（4.8；枪支通气的间隔搅拌发酵（4.8。上面的组（3）代表了日本生物反应器设计的主要方向，目前的系统为生物多数系统设计用于分批操作但是有些会应用于半连续或者连续操作。操作复杂的计算机控制的反馈环路，以更好的进行过程动力（dynamic）控制。行设计的。固体基质发酵与液体发酵相比的相对优缺点见发酵的比较。固体基质发酵未来将会在基质的预处理、过程控制和发酵罐设计方面进行改进。总结培养中，通过对控制添加和除去培养基，可以获得稳定状态的群体特征。或者动物细胞或者酶生物反应器设计取决于生物过程的本质。连续搅拌釜式反应系统（CSTR）是最为广泛应用的生物反应器并且可以用于需氧过程操作也可以用于厌氧过程CSTR生物反应器中进行的混合操作可以通过amechanicallyoperatedcentralshaftequippedwithbladesorimpellers有机械搅拌，物质的混合通过上升的气泡来实现。的是相对复杂的廉价的天然产物的混合物。与到发酵过程控制中。质量和能量传递过程是一切发酵过程的主要部分。混合作用的目的是优化axialandradialdispersion以确保培养基组分在生物反应中的充分分散，从而鼓励良好的质量传递速率和高的生物生产力。固体基质发酵是微生物在不含自由水和几乎不含自由水的固体物质上进行微粒间质量传递与微粒内质量传递是限制固体基质发酵的两个主要的条件。（双重否定：…not…..until…（双重否定：…not…..until…）1878年，负责发酵的酵母细胞的真正组分才被命名为酶（古希腊语意思是酵母中。不到二十年后，酶无生命的本质通过酵母的自由细胞1926酶的纯化和结晶才最终证明酶是蛋白质。在随后的几年了，随着生物化学新规则的发展，酶被证明存在于一切生命中（胞外酶（淀粉，这些分子不能进入到细胞中。对于某些微生物，胞外酶的生产对于正常生长是非常重要的，而且最初商业化利用的酶就是来源于此。分离的酶的商业角色在实际中很少能实现令人满意的结果。利用整个微生物肯定会在发酵过程中产生一定的缺点：微生物生长和产物形成的最适条件不同；大比例的基质将转化为生物体；无用的副反应将会发生；向所希望的产物转化的速率低；从发酵中分离所想要的产物将会困难。200020制造业（5.1工业酶的分布。大部分的酶是水解酶，像淀粉酶、纤dairy、酿造临床和化学分析中寻找更多的应用。酶的来源商业用的酶来源于植物与动物组织及筛选出的微生物。通过传统方法从植物中获得的酶包括蛋白酶（木瓜蛋白酶、无花果蛋白酶、菠萝蛋白酶、淀粉酶、11种的真菌、84种酵母，而且在（5.1株则回应淹没培养技术。这样，筛选技术就必须与最终商业生产过程相联系。酶的生产bulk，但是胞内酶正在寻找作为医学和工业中诊断酶的越来越重要的角色。基质上能够很好的生长，不生产有毒物质而且没有抗生素活性。目前工业酶的生产主要依赖于deeptank或者固体发酵技