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KLα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KLα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
7.6.3 KLα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
8.3 pH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
8.3.3 pH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
8.5 CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制 130
8.5.1 CO2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
10.3.5 pH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
15.7.3 α-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