发酵工程原理与技术

第一章绪论1

第一节发酵工程发展史和相关学科1

一、发酵工程的定义1

二、发酵工程发展史及相关学科1

第二节发酵工程类型与发酵过程特点4

一、发酵工程类型4

二、发酵过程特点5

第三节发酵工艺过程和关键技术5

一、发酵工艺过程5

二、发酵工程关键技术6

第四节发酵工业产品和现状7

一、发酵工业产品7

二、发酵工业现状7

第五节发酵工程发展趋势8

一、技术领域的扩展趋势10

二、应用领域的扩展趋势11

第二章微生物菌种制备原理与技术13

第一节发酵工业微生物菌种13

一、概述13

二、发酵工业常用微生物种类13

三、发酵工业微生物的基本要求16

四、菌种的制备原理与方法16

五、适应性进化18

六、菌种的保藏19

第二节发酵微生物生理学21

一、概述21

二、微生物的遗传与繁殖21

三、底物的吸收与转运22

四、微生物的代谢与调控23

五、底物、中间产物、终产物与其他胁迫

条件下的响应和耐受25

第三节微生物诱变育种27

一、概述27

二、诱变技术28

三、诱变育种的筛选策略31

四、代谢控制育种32

五、高通量筛选技术33

第四节微生物原生质体育种与基因组改组育种34

一、概述34

二、微生物原生质体再生育种35

三、微生物原生质体诱变育种37

四、微生物原生质体转化育种38

五、微生物原生质体融合育种38

六、基因组改组育种40

第五节发酵微生物的基因工程与代谢工程育种42

一、概述42

二、发酵微生物的基因工程育种42

三、代谢工程育种45

四、基因工程菌的发酵特性47

五、基因工程菌的安全性49

第六节工业微生物的系统生物学与合成生物学49

一、概述49

二、组学技术及其在发酵工程中的应用50

三、系统生物学技术和基于系统生物学的菌种改造53

四、合成生物学及其在发酵工程中的应用53

第三章发酵培养基的制备与灭菌56

第一节发酵工业原料56

一、发酵工业原料的种类及其组成56

二、发酵工业原料的选择原则62

三、生物合成的前体物质、抑制剂、

促进剂63

四、原料预处理的目的64

五、原料预处理的方法65

第二节发酵培养基的设计67

一、发酵培养基设计的目的67

二、发酵培养基设计的基本原则69

三、发酵培养基设计的方法69

四、发酵培养基的优化70

第三节淀粉质原料的加工方法与设备70

一、淀粉水解的理论基础70

二、淀粉的液化方法与设备71

三、淀粉的糖化方法与设备72

四、不同发酵产品对淀粉质原料处理的要求73

第四节纤维质原料的加工方法75

一、酸水解75

二、酶水解77

第五节培养基及设备的灭菌79

一、培养基灭菌的目的、要求和方法79

二、湿热灭菌的理论基础81

三、培养基灭菌的工程设计83

第四章无菌空气的制备85

第一节无菌空气制备的概述85

一、空气和无菌空气85

二、空气除菌的方法86

第二节空气介质过滤除菌的原理87

一、捕集效率87

二、空气过滤器除菌机制88

三、对数穿透定律91

四、微滤91

第三节介质过滤制备无菌空气的工艺和过滤器91

一、介质过滤制备无菌空气的工艺流程91

二、介质过滤的空气过滤器93

第五章培养条件、操作方式与发酵罐设计97

第一节培养条件对发酵过程的影响97

一、培养基97

二、温度100

三、pH103

四、供氧对发酵过程的影响105

五、代谢产物及其他106

第二节发酵动力学112

一、发酵过程动力学分类112

二、发酵过程中的质量和能量平衡119

三、发酵过程动力学125

第三节发酵罐设备140

一、反应器的分类140

二、反应器的设计目标和原则141

三、机械搅拌通风发酵罐146

四、气升式发酵罐154

五、固态发酵罐156

第六章发酵过程优化与放大158

第一节概述158

一、发酵过程优化的基本特征158

二、发酵过程优化的主要内容及步骤159

第二节微生物培养环境的优化161

一、微生物的营养需求161

二、微生物的环境条件167

三、培养环境优化的正交试验和响应面优化技术168

第三节基于发酵过程动力学模型的优化技术175

一、基于动力学模型的发酵过程优化的基本特征175

二、基于动力学模型的发酵过程优化的一般步骤175

第四节分阶段发酵优化技术175

一、分阶段优化技术的一般原理与步骤175

二、温度两阶段控制技术175

三、pH两阶段控制技术178

四、溶氧两阶段控制技术181

第五节基因工程菌的发酵优化182

一、基因工程菌发酵过程存在的问题183

二、基因工程菌发酵过程优化研究184

三、高密度培养技术在基因工程菌发酵过程优化中的应用186

第六节发酵过程放大188

一、发酵过程放大原理、原则与步骤188

二、发酵过程放大方法190

三、基于计算流体力学的发酵过程放大技术191

第七章发酵过程监测与控制205

第一节概述205

一、发酵过程控制特性205

二、发酵过程主要检测参数205

三、发酵过程常用传感器207

第二节发酵过程主要状态参数的监测与控制207

一、发酵过程中温度的检测与控制207

二、发酵过程中pH的检测与控制210

三、发酵过程中溶氧的检测与控制214

四、发酵过程中泡沫的产生和消除217

五、发酵过程中CO2的浓度和呼吸商的检测218

六、发酵过程中细胞浓度、产物浓度和底物浓度的检测220

第三节发酵过程先进的控制技术225

一、基于人工神经网络的发酵过程模式识别与控制225

二、基于代谢网络模型的发酵过程在线控制232

第四节发酵染菌及其防治技术233

一、染菌对发酵的影响234

二、发酵染菌的分析235

三、杂菌污染的途径和防治237

四、故障诊断技术240

第五节发酵过程的计算机接口技术247

一、发酵过程的计算机控制原理247

二、发酵过程的计算机控制功能分析249

三、集散控制系统及接口技术249

第八章发酵液预处理及发酵产物提取与精制271

第一节概论271

一、下游加工过程在发酵工程中的地位271

二、发酵下游加工过程的特点271

三、分离过程的机理与分离操作272

四、发酵工业下游技术的一般工艺过程272

第二节发酵液的预处理和固液分离274

一、发酵液的预处理目的和要求274

二、发酵液固液分离技术与设备276

三、微生物细胞的破碎283

第三节沉淀技术289

一、沉淀的原理与目的289

二、沉淀方法种类及要求291

三、沉淀技术应用296

第四节吸附技术297

一、吸附法的原理与目的297

二、吸附法的优缺点298

三、吸附剂的基本要求和种类298

四、吸附基本理论及影响吸附过程的因素300

第五节色谱技术303

一、概述303

二、色谱法基本原理303

第六节膜分离技术309

一、膜分离方法的分类309

二、表征膜性能的参数311

三、膜分离设备313

四、膜分离过程的操作特性和影响因素316

五、膜分离过程在发酵工业中的应用317

参考文献320

本书共分为八章，第一章主要介绍了发酵工程的类型、特点、关键技术、现状以及发展趋势。第二章主要阐述了诱变育种技术、微生物生理学、基因工程与代谢工程以及系统生物学与合成生物学在工业微生物菌种选育方面的应用。第三、四章分别介绍了发酵培养基的制备原理与技术以及无菌空气的制备工艺及设备。第五章介绍了培养条件对发酵过程的影响、发酵动力学以及发酵罐设备。

本书共分16章，以发酵工程的工业应用为主线，以系统介绍发酵工业所必需的发酵工程理论和实践知识为特色，内容包括工业微生物菌种选育、工业发酵培养基设计、发酵工业无菌技术、种子扩大培养、发酵动力学、氧的供需、发酵生理及其过程控制、发酵罐的放大与设计、基因工程菌发酵、发酵产品的提取与精制、发酵工业的清洁生产、发酵工厂设计、发酵经济学、发酵产品生产原理与技术应用，以及发酵工程在现代生物化工中的应用等方面。本书各章既独立成章，又相互联系，内容安排强调系统基础上的相互衔接，紧扣现代发酵工程最具发展潜力的领域和方向。通过本教材的学习，可使学生全面掌握发酵产品的生产原理与技术应用，熟悉现代发酵工业的发展领域和重点方向，为学生今后从事与发酵工业相关的新产品、新工艺的研究和开发打下良好的理论与技术基础。这是一本为大学本科生编写的教材，适用于生物技术和生物工程专业以及生物化工、生物制药工程等相关专业的高年级本科生，也可作为相关专业的研究生、教师及科研人员的参考书。

1绪论1

1.1发酵工程的定义及其与其他相关学科

的关系1

1.1.1什么是发酵工程1

1.1.2发酵工程与其他相关学科的关系1

1.2发酵工程的发展史2

1.2.1发酵本质的认识过程2

1.2.2发酵工程技术的发展史3

1.3发酵工业的特点及其研究范畴5

1.3.1发酵工业的特点5

1.3.2发酵工业的范围6

1.4工业发酵的类型与工艺流程7

1.4.1工业发酵的类型7

1.4.2发酵生产工艺流程8

1.5发酵工程在国民经济中的应用9

1.5.1医药工业9

1.5.2食品工业9

1.5.3能源工业9

1.5.4化学工业10

1.5.5冶金工业10

1.5.6农业10

1.5.7环境保护11

1.6发酵工程的应用前景11

2发酵工业菌种13

2.1发酵工业菌种概述13

2.1.1细菌13

2.1.2放线菌13

2.1.3酵母菌14

2.1.4霉菌14

2.1.5未培养微生物14

2.2发酵工业菌种的分离筛选15

2.2.1样品的采集15

2.2.2样品的预处理16

2.2.3富集培养17

2.2.4菌种分离18

2.2.5菌种初筛和复筛19

2.3发酵工业菌种鉴定19

2.3.1经典的分类鉴定方法20

2.3.2现代分类鉴定方法20

2.3.3将菌种直接送到权威鉴定机构

鉴定22

2.4发酵工业菌种改良23

2.4.1菌种代谢生理与分子生物学23

2.4.2常规育种25

2.4.3细胞工程育种27

2.4.4基于代谢调节的育种技术31

2.4.5基因工程育种33

2.4.6蛋白质工程育种35

2.4.7代谢工程育种36

2.4.8组合生物合成育种37

2.4.9反向生物工程育种38

2.5发酵工业菌种保藏39

2.5.1菌种变异及退化机理39

2.5.2菌种保藏技术39

3发酵工业培养基设计41

3.1发酵工业培养基的基本要求41

3.2发酵工业培养基的成分及来源42

3.2.1碳源42

3.2.2氮源43

3.2.3无机盐及微量元素45

3.2.4水46

3.2.5生长调节物质47

3.3微生物的培养基类型48

3.3.1斜面培养基48

3.3.2种子培养基48

3.3.3发酵培养基49

3.4发酵培养基的设计原理与优化方法49

3.4.1发酵培养基的设计原理49

3.4.2发酵培养基的优化方法51

4发酵工业的无菌技术57

4.1发酵工业的无菌处理57

4.2发酵工业污染的防治策略57

4.2.1污染的危害57

4.2.2杂菌污染的防治59

4.3发酵工业的无菌技术64

4.4发酵培养基及设备管道灭菌65

4.4.1湿热灭菌原理65

4.4.2分批灭菌69

4.4.3连续灭菌70

4.4.4发酵培养基及设备管道灭菌

技术 71

4.5空气除菌72

4.5.1空气除菌方法72

4.5.2空气过滤除菌72

4.5.3空气预处理73

4.5.4空气预处理流程设计75

4.5.5空气过滤介质76

4.5.6提高过滤除菌效率的措施76

5发酵工业的种子制备78

5.1种子制备原理与技术78

5.1.1优良种子应具备的条件78

5.1.2种子质量的判断方法78

5.1.3种子制备79

5.1.4种龄与接种量80

5.2影响种子质量的因素81

5.3种子质量的控制措施82

5.3.1菌种稳定性检查82

5.3.2适宜的生长环境82

5.3.3种子无杂菌检查82

5.4种子制备的放大原理与技术82

5.4.1细菌发酵时的种子扩大培养82

5.4.2酵母发酵时的种子扩大培养83

5.4.3丝状真菌发酵的种子扩大培养84

5.4.4放线菌发酵时的种子扩大培养85

6发酵动力学86

6.1分批发酵动力学86

6.1.1微生物生长动力学86

6.1.2底物消耗动力学88

6.1.3代谢产物的合成与微生物生长的

动力学关系91

6.1.4分批发酵的优缺点93

6.2连续发酵动力学93

6.2.1单级连续发酵93

6.2.2多级连续发酵95

6.2.3连续培养在工业生产中的应用96

6.2.4连续培养中存在的问题97

6.3分批补料发酵及其动力学98

6.3.1分批补料发酵动力学98

6.3.2分批补料发酵的应用99

7发酵工业中氧的供需101

7.1微生物对氧的需求101

7.1.1氧在微生物发酵中的作用101

7.1.2微生物的耗氧特征101

7.1.3影响微生物耗氧的因素101

7.1.4控制溶解氧的意义102

7.2发酵过程中氧的传递103

7.2.1氧的传递途径与传质阻力103

7.2.2气体溶解过程中的双膜理论及

其他理论104

7.2.3氧传递方程105

7.3发酵过程耗氧与供氧的动态关系105

7.4影响氧传递的因素107

7.4.1影响推动力的因素107

7.4.2影响KLa的因素108

7.5发酵过程中的氧传递效率111

7.6溶解氧、摄氧率和KLa的测定112

7.6.1溶解氧CL的测定原理与方法112

7.6.2摄氧率γ的测定原理与方法114

7.6.3KLa的测定原理与方法115

8发酵过程控制118

8.1发酵过程控制概述118

8.1.1发酵过程的参数检测119

8.1.2发酵过程的代谢调控121

8.2温度对发酵的影响及其控制121

8.2.1影响发酵温度的因素121

8.2.2温度对微生物生长的影响122

8.2.3温度对基质消耗的影响123

8.2.4温度对产物合成的影响123

8.2.5最适温度的选择124

8.3pH对发酵的影响及其控制124

8.3.1发酵过程中pH变化的规律124

8.3.2最适pH的选择125

8.3.3pH的调控策略126

8.4溶解氧对发酵的影响及其控制126

8.4.1溶解氧变化的规律127

8.4.2溶解氧在发酵过程控制中的重要

作用127

8.4.3影响溶解氧的主要因素与控制

方法128

8.4.4溶解氧控制对发酵的影响130

8.5CO2和呼吸商对发酵的影响及其

控制130

8.5.1CO2对发酵的影响130

8.5.2呼吸商与发酵的关系131

8.6基质浓度对发酵的影响及其控制132

8.7通气搅拌对发酵的影响及其控制133

8.8泡沫对发酵的影响及其控制134

8.8.1泡沫的产生及其影响134

8.8.2发酵过程中泡沫的消长规律134

8.8.3泡沫的控制135

8.9高密度发酵及过程控制136

8.9.1高密度发酵136

8.9.2高密度发酵的策略136

8.9.3高密度发酵技术137

8.9.4高密度发酵存在的问题137

8.10发酵终点的检测与控制138

8.10.1发酵终点的判断138

8.10.2菌体自溶的监测138

8.10.3影响自溶的因素139

8.11自动控制技术在发酵过程控制中的

应用140

8.11.1发酵过程的计算机控制原理140

8.11.2发酵过程的计算机功能分析140

9发酵罐放大与设计144

9.1发酵罐的类型与结构144

9.1.1发酵罐的类型144

9.1.2发酵罐的结构145

9.2通用式发酵罐的设计与放大146

9.2.1发酵罐设计的基本原则146

9.2.2发酵罐设计的基本要求147

9.2.3发酵罐放大设计147

9.3发酵罐电机的选配152

9.3.1搅拌功率的计算152

9.3.2发酵罐的电机选配155

10基因工程菌发酵156

10.1基因工程菌发酵动力学156

10.1.1基因工程菌的发酵动力学模型

分类156

10.1.2基因工程菌培养过程的动力学

模型157

10.2基因工程菌发酵的设备158

10.3基因工程菌的高密度发酵及控制158

10.3.1高密度发酵培养基的选择159

10.3.2培养方式的选择159

10.3.3发酵过程中溶解氧的控制160

10.3.4温度的影响及控制160

10.3.5pH的影响及控制160

10.4基因工程菌发酵的后处理技术161

10.4.1细胞破碎161

10.4.2基因工程蛋白质的浓缩与分离

纯化161

10.4.3基因工程菌中核酸的分离

纯化162

10.5基因工程菌的不稳定性及对策164

10.5.1基因工程菌不稳定性的表现164

10.5.2基因工程菌不稳定的原因及

对策164

10.6应用案例与分析166

10.6.1基因工程生产干扰素166

10.6.2重组人生长激素（rhGH）

的生产168

10.6.3核酸疫苗169

11发酵产物的提取与精制171

11.1概述171

11.1.1提取与精制过程的一般工艺

流程171

11.1.2发酵产物提取精制方法的优化

与工艺设计172

11.2发酵液的预处理172

11.2.1改变发酵培养物的过滤特性173

11.2.2发酵液相对纯化175

11.2.3高价无机离子的去除方法175

11.3固液分离技术175

1131过滤分离技术175

1132离心分离技术177

114细胞破碎技术179

1141物理法180

1142化学法182

1143生物酶溶法183

1144细胞破碎技术的发展方向183

115浓缩技术184

116膜分离技术185

1161膜分离技术的原理185

1162反渗透187

1163超滤和微滤187

1164透析188

117沉淀分离技术188

1171蛋白质分子在水溶液中的稳

定性188

1172蛋白质沉淀分离方法189

118吸附分离技术191

1181吸附分离原理191

1182吸附介质的分类及其性质192

119萃取分离技术193

1191溶剂萃取193

1192双水相萃取196

1193超临界流体萃取198

1110色谱分离技术199

11101柱色谱中的常用术语199

11102吸附色谱200

11103离子交换色谱技术202

11104凝胶色谱技术207

11105亲和色谱技术211

11106逆流色谱技术212

1111结晶技术212

11111结晶的基本原理212

11112影响结晶生成的因素213

11113工业发酵中常用的结晶方法及

设备215

1112干燥技术215

11121对流加热干燥法215

11122接触加热干燥方法216

11123冷冻升华干燥法216

12发酵工业清洁生产技术218

121清洁生产的概念及主要内容218

1211清洁生产的定义218

1212清洁生产技术的主要研究

内容219

122清洁生产与末端治理的比较220

123发酵行业开展清洁生产的重要意义

和必要性221

124实现清洁生产的有效途径222

1241强化内部管理222

1242工艺技术改革与创新实现清洁

生产223

1243废弃资源的综合利用225

13发酵工厂设计概述226

131发酵工厂基本建设程序和设计工作

的基本内容226

1311发酵工厂基本建设程序226

1312发酵工厂工程设计的基本

内容226

132发酵工厂厂址选择和总图布置227

1321厂址选择227

1322总平面布置228

133发酵工艺流程设计229

1331工艺流程的设计原则229

1332工艺流程的设计步骤229

134物料衡算与设备选型229

1341物料衡算229

1342主要技术经济指标230

1343设备选型231

135发酵车间设备布置与管道设计233

1351车间设备布置233

1352车间工艺管道设计234

136发酵工业“三废”处理及其工厂化

设计235

1361废气235

1362废水235

1363废渣236

137发酵工厂投资概算与经济评价236

1371建设项目的总投资概算236

1372概算和经济评价中的一些费用

计算236

1373产品成本计算237

1374借款利息和还款能力预测238

1375项目投资的经济评价238

14发酵经济学239

141概述239

142影响发酵产品成本的主要因素239

1421菌株选育对发酵成本的影响239

1422发酵培养基成本分析240

1423无菌空气与通气搅拌成本

分析241

1424动力费的成本分析241

1425发酵工艺中不同培养方式的

成本对比分析242

1426发酵产品分离纯化的成本

分析244

1427发酵规模的成本分析244

1428市场经济信息分析及管理

技术245

143发酵过程的经济学评价245

1431产物浓度245

1432生产效率245

1433基质转化率246

1434单位产品的能耗246

15发酵产品生产原理与技术应用247

151醇酮类产品的发酵生产247

1511酒精发酵菌种247

1512酒精发酵的原料和工艺流程247

152氨基酸类产品的发酵生产249

1521淀粉水解糖的制备249

1522菌种扩大培养249

1523谷氨酸分批发酵250

1524谷氨酸提取250

153核苷酸类产品的发酵生产251

154有机酸类产品的发酵生产252

155油脂类产品的发酵生产254

156抗生素发酵生产254

1561抗生素的生产工艺255

1562青霉素发酵生产过程及其关键

技术255

1563青霉素的提取和精制256

157酶制剂的发酵生产256

1571酶制剂的应用256

1572酶制剂的生产257

1573α淀粉酶的生产257

158多糖类产品的发酵生产260

159维生素类产品的发酵生产261

1510甾体激素的微生物转化263

15101由醋酸化合物S生产氢化可

的松264

15102利用简单节杆菌将氢化可的松

转化成强的松龙264

15103以醋酸可的松为原料生产醋

酸强的松265

16发酵工程在现代生物化工中的

应用266

161发酵工程在生物医药领域的应用266

1611抗生素的发酵生产267

1612维生素类药物的发酵生产267

1613多烯脂肪酸的发酵生产267

1614医用酶制剂的发酵生产268

1615新型保健食品的发酵生产268

162发酵工程在化学工业中的应用268

1621发酵工程在化工原料工业中的

应用268

1622发酵工程在农药生产中的

应用269

1623发酵工程在新型能源工业中的

应用269

163发酵工程在绿色化学工业中的

应用269

164发酵工程在生物炼制技术需求

推动下快速发展270

参考文献272