发酵工程原理PDF电子书下载

1绪论 1

1.1发酵工程的历史与发展 1

1.1.1发酵现象及人类早期的应用 1

1.1.2现代发酵工程的产生与发展 1

1.2发酵工程对人类社会发展的意义 3

1.2.1从传统生物技术到现代生物技术产品 3

1.2.2从食品、医药向能源、环境、生物基化学品领域拓展 4

1.2.3从碳氢化合物经济到碳水化合物经济 4

1.2.4生物经济的形成与发展 5

1.2.5发酵行业的环境污染与节能减排 5

1.3发酵工程的生物学与工程学基础 6

1.4发酵工程课程的学习内容与要求 8

1.4.1发酵工程发展的前瞻性 8

1.4.2发酵工程学习的实践性 9

1.4.3发酵工程的学科交叉性 9

2菌种来源与种子培养 12

2.1用于工业生产菌种的要求和特点 12

2.1.1与抗生素生产有关的微生物 13

2.1.2与氨基酸生产有关的微生物 14

2.1.3与酶制剂生产有关的微生物 16

2.1.4常用的表达系统 18

2.2土壤中目的微生物的筛选 19

2.2.1土壤采样的一般原则 19

2.2.2土样中微生物的富集 20

2.2.3目标微生物的挑选 22

2.2.4目标生物材料筛选的研究进展 22

2.3菌种改造 23

2.3.1自然选育 23

2.3.2诱变育种 24

2.3.3基因的定向进化 28

2.4种子的扩大培养 29

2.4.1种子制备的流程 30

2.4.2实验室阶段的技术概要 31

2.4.3生产车间阶段的技术概要 32

3发酵培养基 36

3.1培养基的类型及功能 36

3.1.1按纯度划分 36

3.1.2按状态划分 37

3.1.3按用途划分 37

3.2发酵培养基的成分及来源 38

3.2.1碳源 39

3.2.2氮源 40

3.2.3无机盐及微量元素 43

3.2.4水 44

3.2.5生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂 45

3.3培养基的设计及优化 47

3.3.1培养基成分选择的原则 47

3.3.2培养基成分的确定及优化 50

3.3.3培养基设计与优化的层次 57

3.3.4培养基设计时注意的一些相关问题 58

4发酵过程的基本工艺与控制 61

4.1发酵过程操作的分类 61

4.1.1分批发酵 61

4.1.2补料分批培养 62

4.1.3半连续培养 63

4.1.4连续培养 63

4.2发酵过程的中间分析 63

4.2.1发酵过程主要参数 63

4.2.2产物量的测定 66

4.3发酵过程基质代谢及控制 66

4.3.1基质浓度的变化 67

4.3.2发酵控制与中间补料 68

4.3.3发酵终点的判断 75

4.4发酵过程的pH控制 76

4.4.1发酵过程pH变化的原因 76

4.4.2 pH对发酵的影响 77

4.4.3 pH的控制 77

4.4.4不同pH调节方法的影响 78

4.4.5基于pH变化与代谢调控的发酵过程优化 79

4.5温度变化及其控制 79

4.5.1微生物生长与温度 79

4.5.2微生物与温度相关性的原理 79

4.5.3温度对发酵的影响与控制 80

4.5.4发酵热及其发酵过程温度变化 83

4.6发酵过程中的搅拌及其作用 85

4.6.1搅拌桨形式对发酵的影响 86

4.6.2搅拌剪切力的影响 87

4.6.3不同搅拌桨及转速的选择 88

4.7发酵过程泡沫的形成与控制 89

4.7.1泡沫形成的基本机制 89

4.7.2起泡对发酵的影响 91

4.7.3泡沫的物理化学性质 91

4.7.4影响泡沫稳定性的因素 93

4.7.5消泡剂 95

4.8染菌的防治 99

4.8.1染菌的影响 99

4.8.2染菌的原因 101

4.8.3无菌状况的检测 103

4.8.4染菌的防止 104

4.8.5染噬菌体的防治 108

5好氧与厌氧发酵 112

5.1微生物对氧的需求 112

5.1.1氧与微生物生长 112

5.1.2氧与菌团（球）的形成 113

5.1.3氧在微生物中的功能 114

5.2反应器中氧的平衡、传递与调节 114

5.2.1氧的平衡与传递 114

5.2.2溶氧的调节 116

5.3溶氧、摄氧率和KLa的测定及影响KLa的因素 117

5.3.1溶氧的测定 117

5.3.2临界氧与摄氧率 117

5.3.3KLa的测定 118

5.3.4影响KLa的因素 120

5.4发酵过程中氧浓度的变化及其对产物合成的影响 123

5.4.1初级（或中间）代谢产物合成 123

5.4.2酶的生产 124

5.4.3抗生素生物合成 124

5.5厌氧发酵 125

5.5.1厌氧发酵原理 125

5.5.2沼气的生产 125

5.5.3纤维素降解 125

5.5.4厌氧消化 127

5.5.5乙醇发酵 127

5.5.6乳酸发酵 131

6经典发酵过程动力学与反应器基础 138

6.1微生物生长和反应过程 138

6.1.1微生物生长模型 138

6.1.2反应过程研究 141

6.2发酵过程的化学计量学和热力学研究 144

6.2.1发酵过程的化学计量学 144

6.2.2发酵过程的热力学研究 145

6.3微生物反应工程与优化 148

6.3.1搅拌与通气 148

6.3.2过程控制与优化 149

6.3.3补料-分批抗生素发酵的动态优化控制的例子 150

6.3.4补料-分批培养中生产经济上的优化 152

6.4反应器研究与操作 152

6.4.1摇瓶生物反应器 152

6.4.2实验室小型生物反应器 153

6.4.3生物反应器的类型 154

7发酵过程优化与多尺度参数相关分析原理 161

7.1发酵过程优化与放大研究概述 161

7.1.1操作变量及其优化的局限性 161

7.1.2状态变量 162

7.1.3发酵过程参数检测与控制概述 164

7.2多尺度微生物过程研究 168

7.2.1生物技术发展与发酵过程优化 168

7.2.2生物过程的多尺度研究方法的提出与原理 168

7.2.3跨尺度测量与分析 170

7.2.4数据驱动型的可视化方法 172

7.3发酵过程参数相关分析原理 172

7.3.1发酵过程的理化相关 173

7.3.2发酵过程的生物相关 173

7.4发酵过程多尺度优化应用实例 179

7.4.1细胞代谢特性中之碳、氮源的自适应调控——以基因工程毕赤酵母表达活性蛋白为例 179

7.4.2反应器流场特性与细胞生理代谢特性的相关——以阿维菌素发酵过程相关分析为例 181

7.4.3反应器流场特性引起的基质利用特性变化——以头孢菌素C发酵优化为例 184

7.4.4初级代谢产物发酵过程优化敏感参数的获得——以谷氨酸、柠檬酸发酵过程优化为例 186

7.4.5厌氧或微耗氧发酵过程的调控与优化 189

7.4.6维生素B12耗氧发酵过程中氧调控现象的发现 191

7.4.7以OUR为跨尺度因子的多尺度发酵过程优化——鸟苷工业发酵优化案例 194

7.4.8基于细胞生理代谢特性和反应器流场特性相结合的发酵过程放大研究——以红霉素发酵过程放大为例 197

8流场特性与生理特性研究相结合的发酵过程放大 202

8.1概述 202

8.2搅拌生物反应器内的流场特性 203

8.2.1搅拌生物反应器内流场的基本特点 203

8.2.2搅拌生物反应器内流场的测定技术 206

8.2.3生物反应器内流场的计算流体力学模拟 209

8.3结合微生物生理特性与反应器流场特性研究的发酵过程优化与放大实例 213

8.3.1 60m3灰黄霉素搅拌发酵罐优化 213

8.3.2 160 m3头孢菌素C发酵罐优化 215

8.3.3 372 m3红霉素搅拌发酵罐优化 217

9微生物发酵代谢流分析 221

9.1概述 221

9.2基于计量学的代谢流分析 221

9.2.1计量学模型 222

9.2.2实际代谢流的估算 223

9.2.3理想代谢流的预测——流平衡分析 223

9.2.4应用案例——鸟苷发酵过程中代谢流迁移的研究 224

9.3基于13C同位素的代谢流分析 231

9.3.1基本原理 231

9.3.2标记底物的选择 231

9.3.3标记实验的实施 232

9.3.4标记信息的检测 234

9.3.5数据模型化处理 235

9.3.6应用案例——维生素B12发酵过程中甜菜碱利用机制的研究 235

10用于发酵工程研究的装置技术 240

10.1高通量筛选 240

10.1.1概述 240

10.1.2高通量筛选的目标与基本原理 241

10.1.3高通量筛选技术与装备 241

10.1.4高通量筛选技术的应用举例 245

10.2恒化器装置及原理 246

10.2.1基本原理 246

10.2.2基本系统组成 247

10.2.3系统操作与应用 249

10.3.基于代谢流分析的发酵研究装置 250

10.3.1概述 250

10.3.2用于研究的实验装置 251

10.3.3传感器与测量系统 253

10.3.4数据采集与分析 262

10.3.5应用 263

10.4基于生物信息处理的计算机网络系统与应用 265

10.4.1概述与系统原理 265

10.4.2系统网络架构 266

10.4.3基于工业以太网的发酵过程信息处理系统 270

11系统生物技术在发酵工程中的应用 273

11.1概述 273

11.2系统生物技术的基本原理 273

11.2.1组学技术 274

11.2.2数据分析与计算模拟 278

11.3系统生物技术在发酵工程中的应用 281

11.3.1通过系统生物技术改善工业菌种表型 281

11.3.2系统生物技术应用于发酵过程优化 283

11.4结论与展望 295

11.4.1发酵过程的系统生物学研究 295

11.4.2发酵工程不同研究阶段的过程特征与研究框架 296

11.4.3合成生物学的形成与发酵工程 297