新一代发酵工程技术：发展现状、任务与挑战

本书主要介绍了近年来发酵工程技术的最新进展和未来发展趋势，包括发酵微生物菌种高通量筛选技术、基因快速编辑组装与表达调控技术、微生物细胞系统改造与精准调控，以及微型反应器与组合优化技术、基于多参数检测分析与组学技术的发酵过程实时动态优化与控制、发酵产品的联产技术、典型发酵产品的流程重构技术等，提出了新一代发酵工程技术的概念和内涵。在此基础上，针对新一代发酵工程技术的发展现状，结合合成生物学、未来食品等发酵工程交叉学科的研究进展，探讨论了发酵工程技术今后面临的任务和挑战。本书可作为发酵工程、生化工程、生物工程、环境工程和制药工程的高校师生的资料使用，也可供上述领域的企业生产、技术和管理人员参考。

什么是发酵工程

发酵工程通常被认为是微生物在发酵罐中利用原料生产特定产物的技术。发酵工程是工业生物技术的最重要组成部分，并且正在重塑发酵工业和轻工业。微生物是发酵工程技术的核心。发酵罐是微生物进行发酵过程的主要场所，包括种子培养和发酵。完整的发酵生产产品过程，在发酵结束后还必须采用各种分离提取技术从发酵液中获得特定产物。

发酵工程主要内容示意图

20世纪末和21世纪前20年，生物技术的迅速发展开始重塑世界：可预测、可再造、可调控，仿生、再生、创生，人造生命、器官再造、生物存储、高能细胞、人机交互等。这些为新时代发酵工程的发展提供了重要的基础。

一方面，生物技术的理论、工具、方法乃至知识体系呈现爆发式的发展；另一方面，生物工业特别是发酵工业在大规模生产方面的技术水平还不够先 进。究其原因，应该是这些新理论和新方法在工业上的应用还存在明显不足。掌握最新的前沿生物技术，并努力将其应用于发酵工业实践，这是作者团队 近 35 年的研究工作追求，也是写作本书的初心。

作者将本书命名为《新一代发酵工程技术》，主要是因为进入 21 世纪，发酵工程技术的一些核心内涵已经发生变化，如发酵微生物细胞工厂构建和 改进替代了以往的发酵微生物菌株改良，包括发酵微生物菌种高通量筛选技 术、基因快速编辑组装与表达调控技术、微生物细胞系统改造与精准调控， 等等；发酵过程优化和动态控制替代了以往的发酵工艺优化，包括微型反应 器与组合优化技术、发酵过程实时动态优化与控制、发酵产品的联产技术、 典型发酵产品的流程重构技术，等等。上面所述是本书的主要内容。此外， 作者在最后一章还以未来食品的发酵技术为例，介绍了发酵工程技术今后面 临的任务和挑战。

作者：陈坚 院士

作者：周景文 教授

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本书目录

第 1 章 绪论

1.1 发酵工程基本内容和发展历史

1.2 20世纪80年代后的发酵工程技术

1.3 新一代发酵工程技术

第 2 章 发酵微生物菌种高通量筛选技术

2.1 发酵微生物选育技术概述

2.2 微生物菌种多样性的获得

2.3 目标产物的快速定量方法

2.4 基于多孔板的高通量筛选技术及应用实例

2.5 基于流式分选和多孔板筛选的高通量筛选技术及应用实例

2.6 基于微流控和流式分选的高通量筛选技术

2.7 工业发酵微生物菌种高通量筛选技术展望

第 3 章 基因快速编辑组装与表达调控技术

3.1 微生物细胞基因工程改造技术概述

3.2 DNA体外快速编辑技术

3.3 高效DNA无缝组装技术

3.4 基于质粒系统的基因表达技术

3.5 基因敲除与基因整合技术

3.6 基因的表达调控技术

3.7 基因组精简与基因组人工合成技术

3.8 本章小结

第 4 章 微生物细胞系统改造与精准调控

4.1 微生物细胞代谢过程及其调控机制

4.2 微生物代谢过程的经典调控策略

4.3 微生物代谢过程的静态精准调控

4.4 微生物代谢过程的动态调控

4.5 微生物代谢过程的能量代谢与辅因子调控策略

4.6 基于亚细胞结构的微生物细胞精准调控

4.7 生物信息学策略指导的微生物细胞系统改造

第 5 章 微型反应器与组合优化技术

5.1 发酵过程优化的复杂性与微型反应器技术

5.2 微型生物反应器技术

5.3 微型生物反应器流体力学分析方法

5.4 基于微型生物反应器的发酵条件组合优化技术

5.5 微型生物反应器支撑的发酵过程放大技术

第 6 章 基于多参数检测分析与组学技术的发酵过程实时动态优化与控制

6.1 发酵过程中的过程参数的检测方法

6.2 基于多参数过程分析技术的发酵过程实时与动态优化

6.3 基于代谢物组学分析的发酵过程优化技术

6.4 基于过程分析技术的发酵过程自动控制

第 7 章 发酵产品的联产技术

7.1 发酵产品联产的必要性

7.2 解脂亚洛酵母联产α-酮戊二酸和丙酮酸

7.3 钝齿棒杆菌联产L-精氨酸和聚-β-羟基丁酸酯

7.4 丙酸杆菌联产丙酸和维生素B12

7.5 发酵产品联产技术的展望

第 8 章 典型发酵产品的流程重构技术

8.1 传统产品发酵流程重构的必要性

8.2 酱油：从自然接种的混菌发酵到可控的安全发酵体系

8.3 柠檬酸：从传统分批发酵到菌球分割多级流加发酵

8.4 维生素C：从化学合成到三菌两步发酵再到一菌一步发酵

8.5 左旋多巴：从酶法拆分到酶法合成

8.6 泛酸：从化学合成到酶法拆分再到直接发酵生产

8.7 低分子量透明质酸：从无序降解到分子量精准可控的生物制造

8.8 甲硫氨酸：从化学合成到酶法合成再到直接发酵生产

第 9 章 未来食品的发酵生产

9.1 未来食品

9.2 细胞培养肉与植物蛋白肉的生物发酵与合成

9.3 动植物蛋白的发酵生产

9.4 中、长链食用油脂的发酵生产

9.5 未来食品的发酵生产面临的挑战

9.6 展望

索引

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