本书在发酵工程基础理论和应用的基础上，融入发酵工程领域前沿学科技术，拓展了生物工程内容，深化了学生对理论知识的理解；除了增加各章节前沿技术及其方法，还注重相关设备和仪器仪表技术的内容，丰富了工程学理论和应用。本书也注重发酵过程数字化和数据化与教学课程的融合，为本学科学生认知工业 4.0奠定基础。教材全面介绍了发酵工程的概念、原理、发展方向及应用领域。全书共有十六章，在内容安排上分为两大部分，前半部分即第一章至第十一章，主要阐述发酵工程的基本概念、理论及基本原理；后半部分即第十二章至第十六章，主要介绍发酵工程的主要产品工艺及其在食品和化学品原料生物发酵加工制备与环境保护等领域的应用。
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015.8-2016.9 荷兰Delft理工大学 生物技术学院 细胞系统工程 访问学者
2006.9-2010.9 华东理工大学 生物工程学院 生物化工 博士
2003.9-2006.3 广西大学 生物工程学院 发酵工程 硕士
1999.9-2003.7 河北科技大学 生物工程学院 发酵工程 学士
2023.1- 华东理工大学 教授
2016.9-2022.12 华东理工大学 副研究员
2010.9-2015.8 华东理工大学 讲师
2004.6-2006.9 华北制药新药中心 助理研究员
微生物发酵
目录
前言
第一章 绪论 1
第一节 发酵与发酵工程的概念 1
一、“发酵”的词源 1
二、发酵工程 2
三、发酵工程在生物工程学科中的地位 3
第二节 发酵工业的发展简史 3
一、自然发酵时期 3
二、纯培养技术发酵时期 4
三、通气搅拌发酵时期 5
四、代谢控制发酵时期 6
五、基因工程操作技术发酵时期 6
第三节 发酵工程的技术特征与发展前景 7
一、发酵工程技术的产业应用领域 7
二、发酵方法的分类 8
三、发酵工业的技术特点 8
四、发酵工艺的一般流程 9
五、发酵工业的发展前景 9
第四节 发酵工程课程的内容与学习方法 10
一、发酵工程课程的主要内容与先修课程 10
二、发酵工程课程的知识储备和学习方法 11
第二章 发酵工业菌种制备原理与技术 13
第一节 用于工业生产菌种的要求和特点 13
一、发酵工业对菌种的要求 13
二、常见的发酵工业菌种简介 15
第二节 土壤中目的微生物的分离 19
一、土壤采样的一般原则 19
二、土样中微生物的富集 20
三、目的微生物的挑选 22
四、目的生物材料筛选的研究进展 22
第三节 传统工业菌种育种技术 23
一、自然选育原理和步骤 23
二、诱变育种 24
三、定向进化 28
第四节 菌种高通量筛选技术 29
一、概述 29
二、高通量筛选的目标与基本原理 30
三、菌种高通量筛选技术与装备 30
四、高通量筛选技术的应用举例 34
第三章 发酵培养基 36
第一节 发酵培养基分类 37
一、按纯度分类 37
二、按状态分类 38
三、按用途分类 38
第二节 发酵培养基的组成及来源 39
一、碳源 40
二、氮源 41
三、无机盐及微量元素 43
四、水 45
五、生长因子、前体、产物促进剂 46
第三节 培养基的设计 47
一、发酵培养基设计原则 47
二、培养基成分和配比的选择 48
第四节 发酵培养基的优化 51
一、发酵培养基优化的原理 51
二、发酵培养基优化的方法 51
三、发酵培养基优化的策略 56
第五节 影响培养基质量的因素 57
一、原料及设备的预处理 57
二、原料的质量 57
三、微生物的营养精细调控方式与过程转化率 58
第四章 无菌系统 60
第一节 灭菌的方法和基本原理 61
一、化学灭菌 61
二、射线灭菌 63
三、干热灭菌 63
四、湿热灭菌 64
五、过滤除菌 64
第二节 培养基的灭菌 64
一、培养基湿热灭菌技术 64
二、培养基过滤除菌技术 68
三、培养基灭菌工程设计 68
四、影响培养基灭菌的因素 70
第三节 发酵设备的清洗与灭菌 71
一、发酵设备的清洗 71
二、发酵设备的灭菌 73
第四节 空气除菌 74
一、无菌空气制备的方法 74
二、介质过滤制备无菌空气的工艺 77
第五节 无菌检查技术 80
一、发酵工业污染的危害 80
二、发酵工业污染的防治策略 81
三、发酵工业的无菌检查方法 82
第五章 种子制备 84
第一节 种子制备原理与技术 85
一、优良种子应具备的条件 85
二、种子扩大培养的目的 85
三、种子制备常用技术 85
第二节 种子制备过程 86
一、实验室种子制备 86
二、生产车间种子制备 88
第三节 影响种子质量的因素与控制 90
一、种子质量标准 90
二、种子质量的影响因素及其控制 91
第六章 发酵动力学 94
第一节 概论 95
一、发酵动力学的研究目的 95
二、发酵动力学的研究内容 95
三、发酵动力学的研究方法 95
第二节 发酵动力学的参数与表征 96
一、菌体细胞生长速率与比生长速率 96
二、基质的消耗速率与比消耗速率 96
三、维持的消耗速率与比消耗速率 97
四、基质消耗速率与菌体细胞生长速率的关系及基质比消耗速率与菌体细胞比生长速率的关系 97
五、产物的生成速率与比生成速率 98
六、生长得率与产物得率 98
第三节 微生物菌体生长与基质消耗及产物合成动力学 99
一、微生物生长动力学 100
二、微生物生长与单一基质消耗动力学 102
三、微生物生长的其他基质消耗动力学 103
四、微生物生长、基质消耗与产物合成动力学 105
第四节 发酵过程模拟与优化 106
一、分批发酵的生产率 106
二、连续发酵动力学 107
三、补料分批培养发酵动力学 112
四、发酵过程模拟与优化 114
第七章 发酵过程氧传质变化规律 117
第一节 工业发酵过程中氧的需求 118
一、供氧与微生物呼吸的关系 118
二、微生物的耗氧特征 118
三、影响发酵液中溶解氧的因素 119
第二节 氧在发酵液中的传递 120
一、氧的传递途径与传递阻力 120
二、氧的传递速率方程式 121
第三节 发酵液的流变学 123
一、发酵液的流变学参数 123
二、发酵液的流变学与发酵过程控制的关系 124
第四节 发酵体系中氧的供需动态关系 124
第五节 影响供氧的因素 126
一、影响供氧的因素概述 126
二、影响氧传递推动力的因素 126
三、影响KLa的因素 127
第六节 KLa的测定方法 129
一、亚硫酸盐氧化法 130
二、取样极谱法 130
三、物料衡算法 131
四、动态法 131
五、排气法 132
第八章 发酵过程多参数采集技术与应用 134
第一节 发酵过程多参数检测的重要性 134
一、操作变量及其优化的局限性 134
二、状态变量 135
三、发酵过程参数检测与控制概述 137
四、生物技术发展与发酵过程优化 140
五、生物过程的多尺度研究方法的提出与原理 141
第二节 发酵过程参数检测与数据化 142
一、常规发酵过程检测技术与应用 142
二、先进发酵过程检测技术与应用 144
三、发酵过程数据驱动型的可视化集成 154
第九章 发酵工艺优化与控制 157
第一节 培养基的影响、优化与控制 158
一、碳源的影响、优化与控制 158
二、氮源的影响、优化与控制 160
三、无机盐和微量元素的影响、优化与控制 160
第二节 温度的影响及其控制 161
一、温度的影响 161
二、发酵过程中引起温度变化的因素 164
三、温度的控制 165
第三节 pH的影响及其控制 166
一、pH对发酵的影响 166
二、pH的变化 167
三、发酵pH的确定和控制 168
第四节 补料作用及其控制 168
一、分批发酵、流加发酵与补料分批培养 168
二、发酵过程中碳氮磷的变化与控制 169
三、发酵过程补料的意义和原则 171
第五节 泡沫的影响及其控制 172
一、泡沫的形成及其对发酵的影响 172
二、消泡剂 174
第六节 发酵终点的判断 178
一、发酵过程的优化主要指标 178
二、发酵终止时间的确定 178
第十章 流场特性与生理特性相结合的发酵 180
第一节 概论 180
第二节 发酵罐放大设计目标及依据 181
一、发酵罐放大设计目标 181
二、发酵罐放大设计的主要依据 182
第三节 搅拌生物反应器内的流场特性 182
一、搅拌生物反应器内流场的基本特点 182
二、搅拌生物反应器内流场的测定技术 185
三、搅拌生物反应器内流场的计算流体力学模拟 188
第四节 生理特性与流场特性指导的发酵优化与放大 192
一、定量剪切率评估与生理代谢参数结合的工艺优化控制 192
二、160m3头孢菌素C发酵罐优化 195
三、维生素B12工业发酵过程发酵罐工艺优化 198
第十一章 发酵工程装备技术 201
第一节 代谢多参数分析的发酵研究装置 201
第二节 用于研究的试验装置 203
一、实验室发酵罐装置 203
二、中试与生产规模装置及数据采集系统研制 203
三、传感器与测量系统 204
四、质量流量计和控制 205
五、罐压测量 206
六、补料测量与控制系统 206
七、发酵液全罐称量技术研究 207
八、尾气分析系统 207
第三节 数据采集与分析 208
一、过程控制软件 208
二、数据分析软件 209
三、应用 209
第四节 恒化器装置及原理 211
一、基本原理 211
二、基本系统组成 212
三、恒化系统操作与应用 214
第十二章 氨基酸和有机酸发酵生产技术 217
第一节 氨基酸生产工艺 217
一、概况 217
二、谷氨酸发酵 219
第二节 有机酸生产工艺 222
一、有机酸合成的代谢调控与育种 222
二、有机酸发酵的工艺控制 223
第十三章 维生素发酵生产技术 238
第一节 维生素的分类和生产方法 238
一、维生素的特性和生化功能 239
二、维生素的生产方法 240
第二节 维生素C发酵技术 241
一、维生素C的合成方法 241
二、二步发酵菌种及发酵工艺 245
三、生物合成法生产维生素的前景 246
第三节 维生素B12生产工艺 247
一、维生素B12的结构与功能 247
二、维生素B12的生物合成途径 248
三、维生素B12的生产和发酵代谢调控过程研究进展 250
第十四章 酶的发酵技术 256
第一节 淀粉酶发酵 257
一、淀粉酶生产菌种 258
二、淀粉的糖化流程 258
三、淀粉酶发酵过程与调控 259
四、硅藻土过滤 259
五、膜分离浓缩 259
六、质量检测与防腐 260
第二节 纤维素酶发酵 260
一、纤维素酶生产菌种 260
二、发酵培养基配方与诱导物 261
三、纤维素酶发酵过程 261
四、液体酶制剂的后处理工艺 262
五、质量检测与保藏 263
第三节 青霉素酰化酶发酵 264
一、青霉素酰化酶基因工程菌构建 264
二、发酵培养基配方、发酵过程与调控 265
三、青霉素酰化酶固定化 265
四、液体酶制剂的后处理工艺 266
第四节 木聚糖酶发酵 266
一、木聚糖酶生产菌种 267
二、发酵培养基配方 268
三、黑曲霉固态发酵木聚糖酶工艺 269
四、质量检测与评价 269
第十五章 酱油和食醋发酵生产技术 273
第一节 酱油 274
一、酱油及其起源 274
二、酱油的分类 274
三、酱油发酵菌种 275
四、酱油生产原料及处理 277
第二节 酱油发酵 278
一、酱油发酵过程 278
二、酱油检测与评价 280
第三节 食醋 281
一、食醋的历史与分类 281
二、食醋酿造微生物 283
第四节 食醋生产工艺 285
一、食醋生产工艺分类 285
二、食醋生产工艺流程 286
三、食醋生产关键工艺 287
第十六章 发酵工业清洁生产 293
第一节 清洁生产概述 293
第二节 清洁生产的特点和现状 294
一、清洁生产的特点 294
二、清洁生产的现状 295
第三节 发酵工业清洁生产实例 295
一、发酵工厂的清洁生产 295
二、末端治理技术 299
第四节 生物安全与管理 300
一、生物安全概念 300
二、生物安全类型 300
三、生物安全管理 301
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