發(fā)酵工程原理與技術(shù)

前言

發(fā)酵工程是一個(gè)由多學(xué)科交叉、融合而形成的技術(shù)性和應(yīng)用性較強(qiáng)的開放性學(xué)科。發(fā)酵工程作為現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的支撐技術(shù)體系與分子生物學(xué)、微生物基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、生物催化工程和人工智能控制學(xué)等多種前沿學(xué)科密切交融，上述學(xué)科的發(fā)展拓寬了發(fā)酵工程學(xué)的研究領(lǐng)域，發(fā)酵工程成為解決人類面臨的能源、資源和環(huán)境等持續(xù)性發(fā)展課題的關(guān)鍵技術(shù)。 發(fā)酵工業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有較高的比重，量大面廣，直接關(guān)系著國(guó)計(jì)民生。我國(guó)具有國(guó)際上工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)中的所有主要產(chǎn)業(yè)，就其規(guī)模而言，某些產(chǎn)業(yè)(如谷氨酸、檸檬酸、維生素C等)在世界上占有舉足輕重的地位，但是，技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大差距，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)菌種水平較低,發(fā)酵工藝、分離精制方法和生產(chǎn)裝置落后，致使我國(guó)某些發(fā)酵產(chǎn)品的原料和能源消耗大，生產(chǎn)成本高，污染嚴(yán)重。中國(guó)是一個(gè)發(fā)酵大國(guó)，但還不是發(fā)酵強(qiáng)國(guó)。加強(qiáng)發(fā)酵工程技術(shù)研究，從菌種的高通量篩選、原料的高效利用、發(fā)酵過(guò)程的全局優(yōu)化與控制、目標(biāo)產(chǎn)品的高效提取以及代謝廢物的分流處理與綜合利用等層面進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)進(jìn)一步提升我國(guó)的發(fā)酵工程技術(shù)水平具有重要的意義，也是作者撰寫此書的內(nèi)在原動(dòng)力。 作者撰寫此書，一方面得益于作者所工作的學(xué)院為國(guó)家發(fā)酵工程重點(diǎn)學(xué)科點(diǎn)，從1952年起開始積累的在發(fā)酵工程領(lǐng)域的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，是作者從學(xué)生時(shí)代到留校工作一直能夠生存和生長(zhǎng)的學(xué)術(shù)土壤，作者承擔(dān)的本科生課程“發(fā)酵工程原理與技術(shù)”2008年獲批為國(guó)家級(jí)精品課程，所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)獲“發(fā)酵工程課程國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)”稱號(hào)；另一方面受助于作者所在研究室許多年輕的博士和碩士，他們和作者一起完成了多項(xiàng)省部級(jí)科研項(xiàng)目，包括863重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等，而正是這些科研項(xiàng)目為本書提供了實(shí)踐性強(qiáng)的解說(shuō)案例。 本教材理論體系全面，緊緊圍繞發(fā)酵工程上、中、下游技術(shù)而展開。內(nèi)容包括微生物的篩選育種、發(fā)酵原料的預(yù)處理、無(wú)菌空氣的制備、發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)、發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化與控制、發(fā)酵過(guò)程的放大原理與技術(shù)、發(fā)酵產(chǎn)物的提取與精制等。 與國(guó)內(nèi)外同類教材相比，本書突出微生物發(fā)酵工程案例的介紹與分析，針對(duì)案例背景及問(wèn)題的提出，對(duì)存在問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路、目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容進(jìn)行展開，注重分析和啟示，不拘泥于具體的操作方法及技術(shù)參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生全面而靈活地掌握發(fā)酵工程的基礎(chǔ)理論和實(shí)用技術(shù)。作為國(guó)家級(jí)精品課程教材，本書不僅配套出版發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)課程教材，同時(shí)，理論課程課件也可以供使用本教材的單位免費(fèi)參考使用。因此，本書不僅具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義，同時(shí)亦具有很強(qiáng)的實(shí)踐價(jià)值。 本書編寫分工如下：第一章，張東旭、陳堅(jiān)；第二章，周景文、吳敬；第三、四章，張梁、石貴陽(yáng)；第五章，張娟、堵國(guó)成；第六章，劉龍、陳堅(jiān)；第七章，劉龍、史仲平；第八章，張建華、毛忠貴。作者特別感謝中國(guó)工程院院士、江南大學(xué)生物工程學(xué)院倫世儀教授的鼓勵(lì)和指導(dǎo)，感謝所在研究室的博士、碩士研究生給予的幫助，感謝化學(xué)工業(yè)出版社的大力支持。 本書是一本適合生物工程專業(yè)本科生使用的教材，也適用于發(fā)酵工程、生物化工和生化工程等相關(guān)專業(yè)的研究生和科研人員參考。 盡管作者力圖在本書中注重結(jié)合理論性和實(shí)踐性、突出系統(tǒng)性和科學(xué)性、體現(xiàn)前沿性和創(chuàng)新性，但限于作者的學(xué)術(shù)功底、研究經(jīng)驗(yàn)和寫作能力，書中存有的疏漏和不妥之處，承蒙賜教，不勝感激! 編者 2012年1月

內(nèi)容概要

本書共分為八章，第一章主要介紹了發(fā)酵工程的類型、特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。第二章主要闡述了誘變育種技術(shù)、微生物生理學(xué)、基因工程與代謝工程以及系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)在工業(yè)微生物菌種選育方面的應(yīng)用。第三、四章分別介紹了發(fā)酵培養(yǎng)基的制備原理與技術(shù)以及無(wú)菌空氣的制備工藝及設(shè)備。第五章介紹了培養(yǎng)條件對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)以及發(fā)酵罐設(shè)備。第六章介紹了常見的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化技術(shù)，包括微生物培養(yǎng)環(huán)境優(yōu)化、基于動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)化、分階段優(yōu)化技術(shù)、基因工程菌的優(yōu)化等，并在此基礎(chǔ)上介紹了發(fā)酵過(guò)程的一般放大原理和方法。第七章闡明了發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)與控制、發(fā)酵染菌及其防治技術(shù)以及發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在發(fā)酵工程中的應(yīng)用。第八章主要闡述了發(fā)酵下游加工過(guò)程中發(fā)酵液預(yù)處理及發(fā)酵產(chǎn)物提取與精制的原理和技術(shù)。
本書可作為綜合性大學(xué)和理工類院校生物工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生的教材，可供從事發(fā)酵工程、生物化工和生化工程等相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和教學(xué)工作者參考。

書籍目錄

第一章　緒論
　第一節(jié)　發(fā)酵工程發(fā)展史和相關(guān)學(xué)科
　　一、發(fā)酵工程的定義
　　二、發(fā)酵工程發(fā)展史及相關(guān)學(xué)科
　第二節(jié)　發(fā)酵工程類型與發(fā)酵過(guò)程特點(diǎn)
　　一、發(fā)酵工程類型
　　二、發(fā)酵過(guò)程特點(diǎn)
　第三節(jié)　發(fā)酵工藝過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù)
　　一、發(fā)酵工藝過(guò)程
　　二、發(fā)酵工程關(guān)鍵技術(shù)
　第四節(jié)　發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品和現(xiàn)狀
　　一、發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品
　　二、發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)狀
　第五節(jié)　發(fā)酵工程發(fā)展趨勢(shì)
　　一、技術(shù)領(lǐng)域的擴(kuò)展趨勢(shì)
　　二、應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展趨勢(shì)
第二章　微生物菌種制備原理與技術(shù)
　第一節(jié)　發(fā)酵工業(yè)微生物菌種
　　一、概述
　　二、發(fā)酵工業(yè)常用微生物種類
　　三、發(fā)酵工業(yè)微生物的基本要求
　　四、菌種的制備原理與方法
　　五、適應(yīng)性進(jìn)化
　　六、菌種的保藏
　第二節(jié)　發(fā)酵微生物生理學(xué)
　　一、概述
　　二、微生物的遺傳與繁殖
　　三、底物的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)
　　四、微生物的代謝與調(diào)控
　　五、底物、中間產(chǎn)物、終產(chǎn)物與其他脅迫
　　條件下的響應(yīng)和耐受
　第三節(jié)　微生物誘變育種
　　一、概述
　　二、誘變技術(shù)
　　三、誘變育種的篩選策略
　　四、代謝控制育種
　　五、高通量篩選技術(shù)
　第四節(jié)　微生物原生質(zhì)體育種與基因組改組育種
　　一、概述
　　二、微生物原生質(zhì)體再生育種
　　三、微生物原生質(zhì)體誘變育種
　　四、微生物原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化育種
　　五、微生物原生質(zhì)體融合育種
　　六、基因組改組育種
　第五節(jié)　發(fā)酵微生物的基因工程與代謝工程育種
　　一、概述
　　二、發(fā)酵微生物的基因工程育種
　　三、代謝工程育種
　　四、基因工程菌的發(fā)酵特性
　　五、基因工程菌的安全性
　第六節(jié)　工業(yè)微生物的系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)
　　一、概述
　　二、組學(xué)技術(shù)及其在發(fā)酵工程中的應(yīng)用
　　三、系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)和基于系統(tǒng)生物學(xué)的菌種改造
　　四、合成生物學(xué)及其在發(fā)酵工程中的應(yīng)用
第三章　發(fā)酵培養(yǎng)基的制備與滅菌
　第一節(jié)　發(fā)酵工業(yè)原料
　　一、發(fā)酵工業(yè)原料的種類及其組成
　　二、發(fā)酵工業(yè)原料的選擇原則
　　三、生物合成的前體物質(zhì)、抑制劑、
　　促進(jìn)劑
　　四、原料預(yù)處理的目的
　　五、原料預(yù)處理的方法
　第二節(jié)　發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)
　　一、發(fā)酵培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的目的
　　二、發(fā)酵培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的基本原則
　　三、發(fā)酵培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的方法
　　四、發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化
　第三節(jié)　淀粉質(zhì)原料的加工方法與設(shè)備
　　一、淀粉水解的理論基礎(chǔ)
　　二、淀粉的液化方法與設(shè)備
　　三、淀粉的糖化方法與設(shè)備
　　四、不同發(fā)酵產(chǎn)品對(duì)淀粉質(zhì)原料處理的要求
　第四節(jié)　纖維質(zhì)原料的加工方法
　　一、酸水解
　　二、酶水解
　第五節(jié)　培養(yǎng)基及設(shè)備的滅菌
　　一、培養(yǎng)基滅菌的目的、要求和方法
　　二、濕熱滅菌的理論基礎(chǔ)
　　三、培養(yǎng)基滅菌的工程設(shè)計(jì)
第四章　無(wú)菌空氣的制備
　第一節(jié)　無(wú)菌空氣制備的概述
　　一、空氣和無(wú)菌空氣
　　二、空氣除菌的方法
　第二節(jié)　空氣介質(zhì)過(guò)濾除菌的原理
　　一、捕集效率
　　二、空氣過(guò)濾器除菌機(jī)制
　　三、對(duì)數(shù)穿透定律
　　四、微濾
　第三節(jié)　介質(zhì)過(guò)濾制備無(wú)菌空氣的工藝和過(guò)濾器
　　一、介質(zhì)過(guò)濾制備無(wú)菌空氣的工藝流程
　　二、介質(zhì)過(guò)濾的空氣過(guò)濾器
第五章　培養(yǎng)條件、操作方式與發(fā)酵罐設(shè)計(jì)
　第一節(jié)　培養(yǎng)條件對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響
　　一、培養(yǎng)基
　　二、溫度
　　三、pH
　　四、供氧對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響
　　五、代謝產(chǎn)物及其他
　第二節(jié)　發(fā)酵動(dòng)力學(xué)
　　一、發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)分類
　　二、發(fā)酵過(guò)程中的質(zhì)量和能量平衡
　　三、發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)
　第三節(jié)　發(fā)酵罐設(shè)備
　　一、反應(yīng)器的分類
　　二、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則
　　三、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐
　　四、氣升式發(fā)酵罐
　　五、固態(tài)發(fā)酵罐
第六章　發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化與放大
　第一節(jié)　概述
　　一、發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的基本特征
　　二、發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的主要內(nèi)容及步驟
　第二節(jié)　微生物培養(yǎng)環(huán)境的優(yōu)化
　　一、微生物的營(yíng)養(yǎng)需求
　　二、微生物的環(huán)境條件
　　三、培養(yǎng)環(huán)境優(yōu)化的正交試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化技術(shù)
　第三節(jié)　基于發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)化技術(shù)
　　一、基于動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的基本特征
　　二、基于動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的一般步驟
　第四節(jié)　分階段發(fā)酵優(yōu)化技術(shù)
　　一、分階段優(yōu)化技術(shù)的一般原理與步驟
　　二、溫度兩階段控制技術(shù)
　　三、pH兩階段控制技術(shù)
　　四、溶氧兩階段控制技術(shù)
　第五節(jié)　基因工程菌的發(fā)酵優(yōu)化
　　一、基因工程菌發(fā)酵過(guò)程存在的問(wèn)題
　　二、基因工程菌發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化研究
　　三、高密度培養(yǎng)技術(shù)在基因工程菌發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化中的應(yīng)用
　第六節(jié)　發(fā)酵過(guò)程放大
　　一、發(fā)酵過(guò)程放大原理、原則與步驟
　　二、發(fā)酵過(guò)程放大方法
　　三、基于計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)酵過(guò)程放大技術(shù)
第七章　發(fā)酵過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制
　第一節(jié)　概述
　　一、發(fā)酵過(guò)程控制特性
　　二、發(fā)酵過(guò)程主要檢測(cè)參數(shù)
　　三、發(fā)酵過(guò)程常用傳感器
　第二節(jié)　發(fā)酵過(guò)程主要狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制
　　一、發(fā)酵過(guò)程中溫度的檢測(cè)與控制
　　二、發(fā)酵過(guò)程中pH的檢測(cè)與控制
　　三、發(fā)酵過(guò)程中溶氧的檢測(cè)與控制
　　四、發(fā)酵過(guò)程中泡沫的產(chǎn)生和消除
　　五、發(fā)酵過(guò)程中CO2的濃度和呼吸商的檢測(cè)
　　六、發(fā)酵過(guò)程中細(xì)胞濃度、產(chǎn)物濃度和底物濃度的檢測(cè)
　第三節(jié)　發(fā)酵過(guò)程先進(jìn)的控制技術(shù)
　　一、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)酵過(guò)程模式識(shí)別與控制
　　二、基于代謝網(wǎng)絡(luò)模型的發(fā)酵過(guò)程在線控制
　第四節(jié)　發(fā)酵染菌及其防治技術(shù)
　　一、染菌對(duì)發(fā)酵的影響
　　二、發(fā)酵染菌的分析
　　三、雜菌污染的途徑和防治
　　四、故障診斷技術(shù)
　第五節(jié)　發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)接口技術(shù)
　　一、發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制原理
　　二、發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制功能分析
　　三、集散控制系統(tǒng)及接口技術(shù)
第八章　發(fā)酵液預(yù)處理及發(fā)酵產(chǎn)物提取與精制
　第一節(jié)　概論
　　一、下游加工過(guò)程在發(fā)酵工程中的地位
　　二、發(fā)酵下游加工過(guò)程的特點(diǎn)
　　三、分離過(guò)程的機(jī)理與分離操作
　　四、發(fā)酵工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過(guò)程
　第二節(jié)　發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離
　　一、發(fā)酵液的預(yù)處理目的和要求
　　二、發(fā)酵液固液分離技術(shù)與設(shè)備
　　三、微生物細(xì)胞的破碎
　第三節(jié)　沉淀技術(shù)
　　一、沉淀的原理與目的
　　二、沉淀方法種類及要求
　　三、沉淀技術(shù)應(yīng)用
　第四節(jié)　吸附技術(shù)
　　一、吸附法的原理與目的
　　二、吸附法的優(yōu)缺點(diǎn)
　　三、吸附劑的基本要求和種類
　　四、吸附基本理論及影響吸附過(guò)程的因素
　第五節(jié)　色譜技術(shù)
　　一、概述
　　二、色譜法基本原理
　第六節(jié)　膜分離技術(shù)
　　一、膜分離方法的分類
　　二、表征膜性能的參數(shù)
　　三、膜分離設(shè)備
　　四、膜分離過(guò)程的操作特性和影響因素
　　五、膜分離過(guò)程在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：第一章 緒論第一節(jié) 發(fā)酵工程發(fā)展史和相關(guān)學(xué)科一、發(fā)酵工程的定義發(fā)酵一詞英文為“fermentation”，是從拉丁文“fevere”，一詞演變而來(lái)，原意為“翻騰”，描述的是酵母作用于果汁或麥芽浸出液出現(xiàn)氣泡的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由果汁或麥芽汁中含有的糖經(jīng)酵母厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳所引起。近代微生物學(xué)的奠基人之一、法國(guó)科學(xué)家路易·巴斯德(Louis Pasteur， 1822-1895)在考察酒精發(fā)酵的愈義后指出：所謂發(fā)酵是指酵母在無(wú)氧狀態(tài)下的呼吸，是生物獲取能量的一種方式。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，醋酸、檸檬酸等有機(jī)酸發(fā)酵都需要供給氧氣。因此原來(lái)發(fā)酵的定義便不再適用，而發(fā)酵此時(shí)被統(tǒng)一理解為：“微生物細(xì)為獲取生長(zhǎng)和生存所需能量而進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)?！贝撕?，發(fā)酵形式不斷多樣化，新的發(fā)酵產(chǎn)品也不斷涌現(xiàn)，如氨基酸、抗生素、核奮酸、酶制劑、單細(xì)胞蛋自等發(fā)酵產(chǎn)品。其中，很多發(fā)酵產(chǎn)品與微生物的能最代謝沒有直接關(guān)系，因此，發(fā)酵的定義擴(kuò)展為：“在合適的條件下，利用生物細(xì)胞（含動(dòng)物、植物和微生物細(xì)胞）內(nèi)特定的代謝途徑轉(zhuǎn)變外界底物，生成人類所需目標(biāo)產(chǎn)物或菌體的過(guò)程?！?0世紀(jì)70年代后，隨著基因工程和細(xì)胞融合等生物技術(shù)的發(fā)展，發(fā)酵過(guò)程除利用天然菌株或變異菌株外，還可利用經(jīng)人工改造獲得的基因工程菌株以及細(xì)胞融合菌株等。同時(shí)，反應(yīng)器設(shè)計(jì)和放大技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、新材料技術(shù)等各種新的工程技術(shù)也不斷運(yùn)用到發(fā)酵生產(chǎn)中?，F(xiàn)代對(duì)發(fā)醉工程的定義為：采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用天然生物體或人工改造的生物體對(duì)原料進(jìn)行加工，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品。或直接把生物體應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程。

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《發(fā)酵工程原理與技術(shù)》可作為綜合性大學(xué)和理工類院校生物工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生的教材，可供從事發(fā)酵工程、生物化工和生化工程等相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和教學(xué)工作者參考。

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