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目录1

第一章 绪论1

1.1 生物反应工程的发展历史2

1.2 生物反应工程的范畴3

1.2.1 酶催化反应动力学3

1.2.2 高产细胞株的获得和保持4

1.2.3 细胞生长和代谢产物合成动力学5

1.2.5 生物反应器和操作模式6

1.2.4 传质对生物反应的影响6

1.3 生物反应工程的应用7

1.3.1 酶催化反应工程的应用7

1.3.2 细胞培养工程的应用7

1.4 生物反应工程的展望8

第二章 酶催化反应动力学10

2.1 酶的来源、分类、命名及特征10

2.2 一种或两种底物反应时单酶催化动力学14

2.2.1 Michaelis-Menten动力学15

2.2.3 King和Altman的推导16

2.2.2 Briggs-Haldane对Michaelis-Menten公式的改进16

2.2.4 可逆反应动力学、双底物反应及辅因子活化18

2.3 基元反应速率常数的确定20

2.3.1 预稳态方法21

2.3.2 松弛方法22

2.4 酶催化反应的抑制23

2.4.1 底物的活化和抑制作用23

2.4.2 可逆抑制24

2.4.3 不可逆抑制29

2.5.1 溶液pH对酶催化反应动力学的影响30

2.5 影响酶活性的其他因素30

2.5.2 温度对酶活性的影响32

2.5.3 其他影响酶活性的因素34

2.6 酶失活机理和酶失活动力学35

2.7 多底物酶催化反应动力学37

2.7.1 多底物反应的反应机理37

2.7.2 多底物酶催化反应的稳态动力学38

2.8 变构酶39

2.8.1 配基同蛋白质的结合40

2.8.2 Monod-Changeux-Wyman（MCW）模型42

2.8.3 Koshland-Némethy-Filmer（KNF）模型44

2.9 多相体系中的酶反应44

练习题47

第三章 应用酶催化及酶催化反应器51

3.1 水解酶的应用51

3.1.1 淀粉和纤维素的水解52

3.1.2 蛋白水解酶55

3.1.4 混合酶、果胶酶及其他水解酶的应用57

3.1.3 酯酶及其应用57

3.2 酶的其他用途58

3.2.1 酶在医药中的应用58

3.2.2 酶在工业中的应用59

3.3 酶催化在手性化合物拆分和合成中的应用60

3.3.1 手性化合物的拆分60

3.3.2 手性合成62

3.4 酶的固定化64

3.4.1 包埋法65

3.4.3 共价键法66

3.4.2 吸附法66

3.4.4 共价交联法68

3.5 固定化酶反应动力学69

3.5.1 固定化酶单一粒子的总反应速率70

3.5.2 球形粒子内的扩散-反应方程72

3.5.3 同时存在膜扩散阻力和粒内传质阻力时的有效因子78

3.5.4 表面固定化酶的反应速率80

3.6 固定化酶的活性和失活81

3.6.1 固定化时真实酶活性保持率81

3.6.2 固定化酶的失活速率82

3.6.3 pH的影响83

3.7 酶反应器84

3.7.1 酶反应器设计原则85

3.7.2 均相酶催化反应器86

3.7.3 非均相酶反应器88

3.8 酶电极和蛋白质芯片93

3.8.1 酶电极93

3.8.2 蛋白质芯片97

练习题99

第四章 细胞生物学基础102

4.1 细胞的基本知识103

4.1.1 细胞的概念103

4.1.2 微生物细胞的基本性质104

4.1.3 微生物细胞的分类和应用107

4.1.4 微生物细胞的结构和功能110

4.2 细胞的增殖及调控112

4.2.1 细胞周期112

4.2.2 细胞周期各时相的动态变化113

4.2.3 细胞周期的调控114

4.2.4 细胞的分化与凋亡115

练习题118

第五章 细胞代谢的计量关系和能学120

5.1 热力学基础120

5.1.1 热力学概念120

5.1.2 自由能124

5.2 代谢反应对：ATP和NAD126

5.2.1 ATP-ADP对与其他高能化合物127

5.2.2 NAD+-NADH对与氧化还原反应129

5.2.3 ATP和NAD的耦联131

5.3 代谢的组织和调节132

5.3.1 代谢的网络组织132

5.3.2 代谢调节的类型133

5.4 碳源的分解代谢137

5.4.1 Embden-Meyerhof-Parnes（EMP）途径137

5.4.2 呼吸138

5.5 光合成139

5.6 生物合成140

5.6.1 小分子生物合成141

5.6.2 大分子生物合成141

5.7 跨膜传递142

5.7.1 被动和促进扩散143

5.7.2 主动传递144

5.8 微生物的代谢产物145

5.8.1 初级代谢产物146

5.8.2 次级代谢产物147

5.9.1 细胞的元素衡算方程148

5.9 细胞增长和产物生成的计量关系148

5.9.2 细胞生长的得率系数151

5.9.3 生长得率和代谢产物产率的理论估计155

5.9.4 细胞生长的反应热及其产率系数156

练习题159

第六章 细胞生长动力学161

6.1 细胞生长及其环境要求161

6.1.1 细胞生长的特点161

6.1.2 环境对细胞生长的影响162

6.2 细胞生长动力学模型的分类和特点166

6.2.1 结构模型和非结构模型167

6.2.2 分立模型与非分立模型168

6.2.3 随机性模型和模糊模型168

6.3 非结构动力学模型168

6.3.1 Monod模型168

6.3.2 其他非结构模型170

6.3.3 多底物模型171

6.3.4 细胞生长的底物抑制172

6.3.5 丝状微生物的生长模型173

6.4 理想间歇培养中细胞生长、底物消耗和产物生成动力学174

6.4.1 间歇培养时细胞的生长周期174

6.4.2 细胞生长与底物消耗175

6.4.3 维持能和内源代谢177

6.4.4 产物生成和产物抑制178

6.4.5 考虑细胞死亡的间歇培养动力学179

6.5 细胞连续培养过程动力学180

6.5.1 连续搅拌罐反应器（CSTR）180

6.5.2 间歇反应器和恒化器细胞生产能力的比较183

6.5.3 内源代谢和维持能对恒化器动力学行为的影响184

6.5.4 恒化器中的产物生成动力学185

6.5.5 理想的平推流反应器（PFR）186

6.6 流加培养187

6.7 结构模型和分立模型初步190

6.7.1 最简单的结构模型——两室模型191

6.7.2 最简单的分立模型193

练习题195

第七章 生物反应器中的传递过程199

7.1 细胞反应体系中的气-液传质201

7.1.1 气体在水中的溶解和传质202

7.1.2 细胞代谢中的氧消耗速率207

7.2 氧传递速率系数的测定208

7.2.1 亚硫酸盐法测定kLa208

7.2.2 溶氧电极法测定kLa209

7.3 自由上升或下降气泡的传质211

7.3.1 气泡和气泡簇的传质系数212

7.3.2 气液界面面积与气含率的估算213

7.4 强制对流传质215

7.5 通气搅拌罐中总括传质系数kLa和输入功率的估算216

7.5.1 通气搅拌罐中总括传质系数的估算216

7.5.2 通气搅拌罐中输入功率的估算217

7.6 其他影响kLa的因素219

7.6.1 离子强度219

7.6.2 表面活性剂219

7.6.3 细胞浓度220

7.6.4 细胞培养过程中kLa值的变化220

7.7 生物反应器的放大221

7.6.5 细胞培养过程中氧传递的强化221

7.7.1 单位体积的输入功率222

7.7.2 体积氧传递系数222

7.7.3 通气量223

7.7.4 放大时要考虑的其他因素223

7.7.5 生物反应器的缩小（scale-down）224

7.8 生物反应器的热量传递和加热灭菌224

7.8.1 热量传递224

7.8.2 加热灭菌228

练习题230

第八章 生物反应器232

8.1 生物反应器的分类和结构特点232

8.1.1 根据生物催化剂分类232

8.1.2 根据底物加入方式分类233

8.1.3 根据流体流动或混合状况分类233

8.1.4 根据反应器结构特征及动力输入方式分类234

8.2 通气搅拌罐生物反应器设计与分析237

8.2.1 通气搅拌罐的结构特征237

8.2.2 机械搅拌系统239

8.2.3 通气系统240

8.2.4 温度控制系统240

8.2.5 消泡系统241

8.2.6 pH和溶氧测量与控制系统241

8.3 鼓泡塔和气升式反应器设计和分析242

8.3.1 鼓泡塔反应器242

8.3.2 气升式生物反应器242

8.4.1 固定床反应器244

8.4 固定化细胞生物反应器244

8.4.2 涓流床生物反应器246

8.4.3 流化床反应器247

8.5 非理想生物反应器的流动模型和微观混合特性248

8.5.1 非理想生物反应器的流动模型248

8.5.2 非理想生物反应器的微观混合特性252

练习题253

第九章 基因重组细胞培养工程254

9.1 基因工程工具酶257

9.1.1 限制性内切酶258

9.1.2 连接酶259

9.1.3 其他基因工程的工具酶259

9.2 宿主细胞选择260

9.3 获得目的基因261

9.3.1 PCR法262

9.3.2 获得原核生物目的基因263

9.3.3 真核生物目的基因的获得265

9.4.1 用于原核生物宿主的载体266

9.4 基因工程载体266

9.4.2 用于真核生物宿主的载体269

9.4.3 用于植物宿主的载体271

9.4.4 用于动物宿主的载体273

9.4.5 基因工程载体的设计273

9.4.6 质粒设计对目的基因表达的影响275

9.4.7 目的基因的高效分泌型表达276

9.5 目的基因与载体DNA的连接277

9.5.1 黏性末端DNA片段的连接277

9.5.2 非互补黏性末端或平端DNA片段的连接277

9.6.1 转化279

9.6 目的基因导入宿主细胞279

9.6.2 转导280

9.6.3 显微注射280

9.6.4 高压电穿孔法280

9.6.5 多聚物介导法281

9.6.6 粒子轰击法281

9.7 重组体的筛选281

9.7.1 利用抗生素抗性基因筛选282

9.7.2 营养缺陷互补法筛选282

9.7.5 通过酶活性筛选283

9.7.3 核酸杂交法筛选283

9.7.4 通过免疫反应筛选283

9.8 目的基因的高效表达284

9.8.1 宿主细胞培养基设计和培养条件优化284

9.8.2 利用细胞培养工程手段提高基因表达水平285

9.8.3 提高基因工程菌的质粒稳定性285

9.8.4 重组菌的高密度培养287

9.8.5 减少乙酸等抑制性副产物的形成288

9.9.1 代谢工程290

9.9 代谢工程、DNA重排和基因组重排290

9.9.2 DNA重排和基因组重排291

9.10 基因工程的应用与发展前景291

练习题293

第十章 动物细胞培养工程295

10.1 哺乳动物细胞培养的特征295

10.2 建立哺乳动物细胞株297

10.2.1 组织细胞分离法297

10.2.2 杂交瘤细胞株的建立方法298

10.2.3 常用的哺乳动物细胞株299

10.3 哺乳动物细胞培养基设计300

10.3.1 哺乳动物细胞培养基的基本要求300

10.3.2 无血清培养基设计301

10.4 哺乳动物细胞培养方法和反应器302

10.4.1 哺乳动物细胞的贴壁培养302

10.4.2 贴壁生长哺乳动物细胞的微载体培养技术303

10.4.3 哺乳动物细胞的悬浮培养304

10.5.2 哺乳动物细胞培养过程的动力学307

10.5.1 哺乳动物细胞培养过程的传质307

10.5 哺乳动物细胞培养过程的传质和反应动力学307

10.6 哺乳动物细胞培养的产物308

10.6.1 单克隆抗体309

10.6.2 免疫调节剂309

10.6.3 病毒疫苗309

10.6.4 生长激素309

10.7 干细胞技术310

10.7.1 干细胞分类310

10.6.5 酶310

10.7.2 干细胞的分离与培养311

10.7.3 干细胞研究进展312

10.7.4 干细胞的应用前景和障碍314

10.8 组织工程315

10.8.1 组织工程概述315

10.8.2 组织工程的构建316

10.8.3 组织工程的展望318

练习题319

11.1 植物细胞培养的细胞生理特性321

第十一章 植物细胞培养工程321

11.2 植物细胞株的建立与培养323

11.2.1 愈伤组织的诱导与培养323

11.2.2 植物细胞培养的基本条件324

11.3 植物细胞培养的生物反应器和工艺326

11.3.1 植物细胞培养的生物反应器326

11.3.2 植物细胞培养工艺329

11.4 植物细胞培养的应用331

11.4.1 利用植物细胞培养进行药物生产332

11.4.2 利用植物细胞培养生产天然色素334

11.5 植物细胞培养的发展趋势335

11.5.1 建立和选择高产植物细胞系335

11.5.2 植物组织化培养335

11.5.3 固定化细胞技术336

11.5.4 产物促进释放技术336

11.5.5 产物合成与分离耦合过程336

练习题336

主要参考书目338

主要学术期刊339

索引341