第1章 概论 1
1.1发酵工程的发展简史 1
1.1.1传统生物技术的追溯 2
1.1.2发酵技术发展的第一转折时期 2
1.1.3发酵技术发展的第二转折时期 3
1.1.4发酵技术发展的第三转折时期 4
1.1.5发酵技术发展的第四转折时期 5
1.2发酵工业的特征 7
1.3发酵工业的应用范畴 7
1.3.1微生物菌体发酵 8
1.3.2微生物酶发酵 8
1.3.3微生物代谢产物发酵 8
1.3.4微生物转化发酵 8
1.3.5现代生物技术的生物细胞发酵 9
1.3.6微生物处理度水 9
1.3.7其他 9
1.4发酵工程在生物工程中的位置 9
1.5现代发酵工程的意义和展望 10
本章小结 11
复习题 11
主要参考文献 11
第一篇发酵反应过程原理篇 15
第2章 菌种的来源 15
2.1生物物质产生菌的筛选 15
2.1.1生物活性物质的主要来源 15
2.1.2标本的采集 16
2.1.3样本的预处理 17
2.2菌种的分离 18
2.2.1集菌培养 18
2.2.2纯化分离 20
2.2.3纯培养的验证 22
2.3工业微生物分离的注意事项 22
本章小结 23
复习题 23
主要参考文献 23
第3章 菌种的选育及保藏 25
3.1自然选育 25
3.1.1自然变异的产生 25
3.1.2自然选育的方法 25
3.2诱变育种 26
3.2.1诱变育种的原理及诱变剂 26
3.2.2诱变育种的步骤 27
3.2.3影响诱变效果的主要因素 28
3.3杂交育种 31
3.3.1准性生殖 31
3.3.2接合 32
3.3.3原生质体融合 32
3.4代谢控制育种 35
3.5基因工程育种 36
3.5.1目的基因的获得 37
3.5.2载体的选择与准备 39
3.5.3基因与载体的连接 40
3.5.4外源基因的导入 40
3.5.5重组体的筛选和产物的表达 41
3.6微生物菌种的保藏与复壮 42
3.6.1菌种保藏 42
3.6.2菌种的复壮 45
3.6.3菌种保藏机构和分工 46
本章小结 47
复习题 47
主要参考文献 48
第4章 微生物代谢调节 49
4.1微生物的代谢类型和自我调节 49
4.1.1微生物的代谢类型 49
4.1.2微生物自我调节的部位 49
4.2酶活性调节 50
4.2.1酶的激活作用与抑制作用 50
4.2.2酶活性调节的机制 51
4.3酶合成调节 52
4.3.1酵合成的诱导作用 53
4.3.2酶合成的阻遏 53
4.3.3酶合成调节的机制 55
4.4分支生物合成途径的调节 57
4.4.1同工酶调节 58
4.4.2协同反馈调节 59
4.4.3累积反馈调节 59
4.4.4增效反馈调节 59
4.4.5顺序反馈调节 59
4.4.6联合激活或反馈调节 59
4.4.7酶的共价修饰 59
4.5能荷调节 60
4.6代谢调控 61
4.6.1发酵条件的控制 61
4.6.2发酵与分离过程耦合 62
4.6.3改变细胞透性 62
4.6.4菌种遗传特性的改变 62
4.7次级代谢与次级代谢调节 64
4.7.1初级代谢与次级代谢 64
4.7.2次级代谢的调节类型 64
4.8代谢工程 66
4.8.1改变代谢途径 66
4.8.2扩展代谢途径 68
4.8.3转移或构建新的代谢途径 69
本章小结 69
复习题 70
主要参考文献 70
第5章 发酵工业培养基的设计 72
5.1发酵工业培养基的基本要求 72
5.2培养基的成分 73
5.2.1碳源 73
5.2.2氮源 74
5.2.3无机盐及微量元素 74
5.2.4水 75
5.2.5生长调节物质 75
5.3培养基的类型 76
5.3.1按纯度分类 76
5.3.2按形态分类 76
5.3.3按用途分类 77
5.4培养基的设计 78
5.4.1菌体同化能力 78
5.4.2碳氮比 78
5.4.3 pH 78
5.4.4补料 79
5.4.5影响培养基质量的其他因素 79
5.5发酵培养基的优化方法 80
5.5.1理论转化率的计算 80
5.5.2培养基优化实验设计 80
本章小结 86
复习题 86
主要参考文献 87
第6章 发酵灭菌与空气的净化 88
6.1灭菌的方法 88
6.1.1干热灭菌法 88
6.1.2湿热灭菌法 88
6.1.3射线灭菌法 89
6.1.4化学药剂灭菌法 89
6.1.5过滤除菌法 90
6.1.6火焰灭菌法 90
6.2培养基和设备的灭菌 90
6.2.1湿热灭菌的原理 90
6.2.2培养基灭菌温度的选择 93
6.2.3培养基的分批灭菌 94
6.2.4培养基的连续灭菌 95
6.3空气除菌 97
6.3.1空气除菌方法 98
6.3.2介质除菌的原理 98
6.3.3介质过滤效率和过滤器计算 99
本章小结 101
复习题 101
主要参考文献 101
第7章 种子扩大培养 102
7.1种子制备工艺 102
7.1.1实验室种子制备 102
7.1.2生产车间种子制备 103
7.1.3影响种子质量的因素 103
7.2种子质量的控制措施 107
7.2.1种子质量标准 107
7.2.2种子质量检查 107
7.2.3种子的异常分析 109
7.2.4种子质量的控制措施 109
本章小结 110
复习题 110
主要参考文献 110
第8章 发酵工艺控制 111
8.1温度对发酵的影响及其调节控制 111
8.1.1温度对发酵的影响 111
8.1.2影响发酵温度的因素 112
8.1.3发酵热的测定 113
8.1.4最适温度的选择与发酵温度的控制 113
8.2 pH对发酵的影响及其调节控制 114
8.2.1 pH对发酵的影响 114
8.2.2影响发酵pH的因素 115
8.2.3最适pH的选择和调节 115
8.3氧对发酵的影响及其调节控制 116
8.3.1氧的传递和传质方程式 116
8.3.2影响微生物对氧需求的因素 118
8.3.3培养基的流变特性 119
8.3.4影响供氧的因素 121
8.3.5液相体积氧传质系数KLa的测定 123
8.4二氧化碳对发酵的影响及其控制 124
8.4.1二氧化碳的来源及其对发酵的影响 124
8.4.2二氧化碳浓度的控制 125
8.5泡沫对发酵的影响及其控制 125
8.5.1泡沫产生的原因 125
8.5.2泡沫对发酵的危害 126
8.5.3泡沫的消长规律 126
8.5.4泡沫的消除和防止 126
本章小结 127
复习题 128
主要参考文献 128
第9章 发酵过程的检测与自控 129
9.1发酵过程检测 129
9.1.1概述 129
9.1.2发酵传感器 129
9.1.3发酵过程检测的可靠性 134
9.2发酵过程变量的间接估计 135
9.2.1与基质消耗有关变量的估计 135
9.2.2与呼吸有关变量的估计 135
9.2.3与细胞生长有关变量的估计 136
9.3发酵过程自控 137
9.3.1基本自控系统 137
9.3.2发酵自控系统的硬件结构 140
本章小结 142
复习题 143
主要参考文献 143
第10章 发酵染菌及其防治 144
10.1染菌对发酵的影响 144
10.1.1染菌对不同发酵过程的影响 144
10.1.2染菌时间对发酵的影响 144
10.1.3染菌程度对发酵的影响 145
10.2发酵异常的判断及原因分析 145
10.2.1种子培养和发酵的异常现象 145
10.2.2染菌的检查和判断 147
10.2.3发酵染菌原因分析 148
10.3杂菌污染的途径和防治 150
10.3.1种子带菌及其防治 150
10.3.2空气带菌及其防治 150
10.3.3操作失误导致染菌及其防治 151
10.3.4设备渗漏或“死角”造成的染菌及其防治 152
10.3.5噬菌体污染及其防治 153
10.3.6杂菌污染的挽救与处理 154
本章小结 155
复习题 155
主要参考文献 155
第11章 发酵动力学 156
11.1分批培养动力学 156
11.1.1分批培养中细胞的生长动力学 156
11.1.2产物合成与微生物生长的动力学关系 159
11.1.3分批培养过程的生产率 160
11.2连续培养动力学 160
11.2.1连续培养设备 161
11.2.2单级恒化器连续培养动力学 161
11.2.3多级串联和部分菌体再循环的连续培养 162
11.2.4连续培养的应用 163
11.3补料分批培养动力学 164
本章小结 165
复习题 166
主要参考文献 166
第12章 发酵过程经济学 167
12.1发酵成本的构成 167
12.1.1固定成本 167
12.1.2可变成本 167
12.1.3发酵产品成本的分布 168
12.2影响发酵成本的主要因素及成本控制 168
12.2.1菌株选育 168
12.2.2 培养基成本 169
12.2.3动力成本 170
12.2.4培养方式 170
12.2.5工厂规模 171
12.2.6产物分离纯化 172
12.2.7发酵自动化程度 172
12.2.8发酵过程优化 173
12.2.9市场经济分析 173
12.3发酵过程经济分析 173
12.3.1发酵过程的技术经济评价指标 173
12.3.2发酵过程的经济效益分析 174
本章小结 175
复习题 176
主要参考文献 176
第13章 现代生物技术在发酵工业中的 应用 177
13.1基因工程菌发酵 177
13.1.1基因工程菌的来源和应用 177
13.1.2基因工程菌的培养 178
13.1.3基因工程菌的不稳定性及对策 180
13.1.4基因工程菌的安全问题 181
13.2动植物细胞培养 182
13.2.1动物细胞培养 182
13.2.2植物细胞培养 185
13.3固定化细胞发酵 186
13.3.1概述 186
13.3.2固定化细胞的特性 187
13.3.3固定化细胞反应器 187
13.3.4固定化细胞的应用 188
本章小结 189
复习题 189
主要参考文献 189
第二篇 产物分离和纯化过程篇 193
第14章 发酵工程下游加工工程概论 193
14.1发酵工程下游加工工程的特点和重要性 193
14.2发酵工程下游加工工程的基本原理 194
14.3发酵工程下游加工工程的一般程序 198
本章小结 200
复习题 200
主要参考文献 200
第15章 发酵液的预处理和固液分离方法 202
15.1发酵液预处理 202
15.1.1高价无机离子的去除 202
15.1.2可溶性杂蛋白的去除 203
15.1.3色素及其他物质的去除 204
15.2固液分离技术 204
15.2.1影响发酵液固液分离的因素 204
15.2.2过滤 205
15.2.3离心分离 206
15.3全发酵液的提取 206
15.3.1应用膜技术进行全发酵液提取 206
15.3.2双水相萃取 206
15.3.3吸附法 206
15.4微生物细胞的破碎和分离 207
15.4.1微生物细胞壁的组成和结构 207
15.4.2微生物细胞破碎的方法 207
15.4.3细胞破碎率的测定 208
本章小结 208
复习题 209
主要参考文献 209
第16章 沉淀法 210
16.1盐析法 210
16.1.1盐析原理——Cohn方程式 210
16.1.2影响盐析的主要因素 211
16.2等电点沉淀订法 212
16.2.1基本原理 212
16.2.2等电点沉淀的影响因素 212
16.3有机溶剂沉淀法 213
16.3.1有机溶剂沉淀的原理 213
16.3.2有机溶剂的选择和用量计算 213
16.3.3影响有机溶剂沉淀的因素 214
16.4非离子型多聚物沉淀法 214
16.5聚电解质沉淀法 215
16.6金属离子沉淀法 215
本章小结 215
复习题 215
主要参考文献 216
第17章 膜过滤法 217
17.1膜分类和表征膜性能的参数 217
17.1.1膜分类 217
17.1.2表征膜性能的参数 218
17.2膜过滤装置的型式及适用范围 219
17.2.1膜过滤装置的型式 219
17.2.2膜过滤装置适用范围 221
17.3膜过滤的操作方法 222
17.3.1分批操作 222
17.3.2.透析过滤 223
17.3.3连续操作 223
本章小结 224
复习题 224
主要参考文献 224
第18章溶剂萃取法 225
18.1溶剂萃取原理 225
18.1.1分配定律 225
18.1.2弱电解质萃取的分配平衡 225
18.2溶剂的选择 226
18.3水相条件的影响及去乳化 227
18.3.1 pH 227
18.3.2温度 227
18.3.3盐析 227
18.3.4带溶剂 227
18.3.5乳化与去乳化 228
18.4萃取方法和理论得率计算 228
18.4.1单级萃取 228
18.4.2多级错流萃取 229
18.4.3多级逆流萃取 229
18.4.4萃取计算诺模图 229
本章小结 230
复习题 230
主要参考文献 231
第19章 双水相萃取法 232
19.1双水相体系 232
19.1.1双水相的形成 232
19.1.2相图 232
19.2影响物质分配的因素 233
19.2.1分配理论 233
19.2.2成相聚合物及其相对分子质量的影响 233
19.2.3成相聚合物浓度的影响 233
19.2.4体系中离子环境对分配的影响 233
19.2.5体系中pH的影响 233
19.2.6体系中温度的影响 234
19.2.7体系中微生物的影响 234
19.3双水相萃取技术的应用 234
19.4双水相萃取技术的发展 235
19.4.1提高分离效率的双水相萃取技术 236
19.4.2廉价双水相系统的使用 237
本章小结 237
复习题 238
主要参考文献 238
第20章 吸附法 239
20.1吸附过程的理论基础 239
20.1.1基本概念 239
20.1.2吸附类型 240
20.1.3吸附平衡 240
20.2吸附剂的种类 241
20.2.1疏水或非极性吸附剂 241
20.2.2亲水或极性吸附剂 242
20.2.3吸附树脂 242
20.3影响吸附的因素 243
20.3.1吸附剂的性质 243
20.3.2吸附物的性质 243
20.3.3溶液pH的影响 243
20.3.4温度的影响 243
20.3.5溶液中其他溶质的影响 243
20.4大网格聚合物吸附剂 243
20.5其他类型的吸附 244
20.5.1疏水作用吸附 244
20.5.2盐析吸附 244
20.5.3亲和吸附 244
20.5.4染料配位体吸附 244
20.5.5免疫吸附 244
20.5.6羟基磷灰石吸附 245
本章小结 245
复习题 245
主要参考文献 245
第21章 离子交换法 246
21.1基本概念 246
21.1.1强酸性阳离子交换树脂 246
21.1.2弱酸性阳离子交换树脂 246
21.1.3强碱性阴离子交换树脂 246
21.1.4弱碱性阴离子交换树脂 246
21.2离子交换树脂的命名法 247
21.3离子交换树脂的物理化学性能及测定方法 247
21.3.1物理性能 247
21.3.2化学性能 249
21.4离子交换过程的理论基础 250
21.4.1离子交换平衡方程式 250
21.4.2离子交换速度 250
21.5树脂的选择和操作条件控制 251
21.5.1树脂的选择 251
21.5.2操作条件的控制 251
21.6大网格离子交换树脂 252
本章小结 252
复习题 252
主要参考文献 253
第22章 色层分离法 254
22.1基本概念 254
22.2亲和层析 255
22.3离子交换层析 256
22.4凝胶层析 257
22.5染料层析 257
22.6疏水层析 258
22.7固定化金属离子亲和层析 258
22.8共价层析 258
22.9羟基磷灰石层析 259
22.10电泳法 260
本章小结 260
复习题 260
主要参考文献 261
第23章结晶法 262
23.1结晶的基本原理 262
23.2影响结晶生成的因素 263
23.2.1过饱和率 263
23.2.2浓度 263
23.2.3纯度 264
23.2.4黏度 264
23.2.5温度 264
23.2.6 pH和等电点 264
23.2.7时间 264
23.2.8晶种 264
23.2.9搅拌 264
23.2.10循环流速 265
23.2.11共存杂质的影响 265
23.3提高晶体质量的途径 265
23.3.1晶体的大小 265
23.3.2晶体的形状 266
23.3.3晶体的纯度 266
23.3.4晶体的结块 266
23.3.5重结晶 266
23.4结晶的方法 266
23.4.1蒸发浓缩结晶法 266
23.4.2加沉淀剂结晶法 267
23.4.3冷却结晶法 267
23.4.4其他结晶方法 267
本章小结 267
复习题 267
主要参考文献 268
第三篇 发酵工程生产设备篇 271
第24章 发酵设备 271
24.1发酵设备类型及发展趋势 271
24.1.1发酵设备的分类 271
24.1.2微生物发酵设备的发展趋势 271
24.2通风发酵设备 272
24.2.1机械搅拌通风发酵罐 272
24.2.2气升式发酵罐 276
24.2.3自吸式发酵罐 277
24.2.4通风固相发酵设备 277
24.2.5其他类型的发酵罐 277
24.3厌氧发酵设备 279
24.3.1酒精发酵设备 279
24.3.2啤酒发酵设备 279
24.4发酵罐的放大 280
24.4.1发酵罐放大的目的和方法 281
24.4.2通用式发酵罐的放大设计 282
本章小结 283
复习题 284
主要参考文献 284
第25章 产物分离和纯化设备 285
25.1两相分离设备 285
25.1.1过滤设备 285
25.1.2离心分离设备 286
25.1.3膜分离设备 287
25.2萃取与色谱分离设备 288
25.2.1萃取分离设备 288
25.2.2离子交换分离设备 289
25.2.3吸附分离设备 289
25.2.4色谱分离设备 290
25.3蒸发浓缩与结晶设备 291
25.3.1真空浓缩设备 291
25.3.2薄膜蒸发器设备 292
25.3.3结晶设备 293
25.4干燥设备 295
25.4.1气流干燥设备 296
25.4.2沸腾干燥设备 296
25.4.3喷雾干燥设备 297
本章小结 298
复习题 298
主要参考文献 299
第26章 辅助系统设备 300
26.1空气净化除菌与调节设备 300
26.1.1空气净化除菌与调节设备 300
26.1.2生物工业生产的空气调节 302
26.2物料输送系统设备 302
26.2.1固体物料的输送设备 303
26.2.2液体物料的输送设备 304
26.3供水与制冷系统设备 305
26.3.1水处理系统设备 305
26.3.2供水系统设备 307
26.3.3发酵工厂洁净蒸汽与制冷系统设备 308
本章小结 310
复习题 311
主要参考文献 311
第四篇 典型发酵工程过程篇 315
第27章 抗生素生产工艺 315
27.1抗生素的分类 315
27.1.1根据抗生素的生物来源分类 315
27.1.2根据抗生素的作用分类 315
27.1.3根据抗生素的化学结构分类 316
27.1.4根据抗生素的作用机制分类 316
27.1.5根据抗生素的生物合成途径分类 316
27.2抗生素生产工艺过程 316
27.2.1菌种 316
27.2.2孢子制备 317
27.2.3种子制备 317
27.2.4发酵 317
27.2.5发酵液的过滤与预处理 317
27.2.6抗生素的提取 318
27.2.7抗生素的精制 318
27.3青霉素生产工艺 319
27.3.1青霉素的结构与特性 319
27.3.2青霉素的分类 319
27.3.3青霉素生产流程 320
本章小结 323
复习题 323
主要参考文献 323
第28章 氨基酸生产工艺 324
28.1氨基酸生产工艺控制 324
28.1.1菌种 324
28.1.2培养基 325
28.1.3发酵条件控制 326
28.1.4氨基酸分离纯化 327
28.2赖氨酸生产工艺 328
28.2.1赖氨酸的生产菌种与生物合成途径 328
28.2.2赖氨酸的发酵条件控制 328
28.3.异亮氨酸、亮氨酸生产工艺 331
28.3.1异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸的生物合成途径 331
28.3.2异亮氨酸发酵 331
28.3.3亮氨酸发酵 332
本章小结 332
复习题 333
主要参考文献 333
第29章核苷、核苷酸类产品的发酵生产 334
29.1概述 334
29.1.1核苷酸的生产途径 334
29.1.2核苷酸类物质生产菌的分离和选择 335
29.2肌苷及肌苷酸的发酵生产 335
29.2.1肌苷的发酵生产 335
29.2.2 肌苷酸的发酵生产 337
29.3鸟苷及鸟苷酸的发酵生产 338
29.3.1鸟苷的发酵生产 338
29.3.2鸟苷酸的发酵生产 339
本章小结 340
复习题 340
主要参考文献 340
第30章 酶制剂的发酵生产 341
30.1概述 341
30.1.1酶制剂发展概况 341
30.1.2酶制剂的生产方法 341
30.2 a-淀粉酶的发酵生产 342
30.2.1生产工艺流程 342
30.2.2发酵生产 342
30.2.3提取 343
30.3脂肪酶的发酵生产 343
30.3.1菌种 343
30.3.2发酵生产 343
30.3.3提取 344
30.4蛋白酶的发酵生产 344
30.4.1菌种 344
30.4.2发酵生产 344
30.4.3提取 345
30.5纤维素酶的发酵生产 345
30.5.1菌种 346
30.5.2发酵与提取 346
本章小结 346
复习题 347
主要参考文献 347
第31章 甾体类化合物的微生物转化工艺0 348
31.1微生物转化的反应类型 349
31.1.1氧化反应 349
31.1.2还原反应 350
31.1.3水解反应 350
31.2微生物转化工艺 351
31.2.1生产工艺流程 351
31.2.2转化反应工艺控制 351
31.3犁头霉菌的11β-羟化反应工艺 352
31.3.1反应原理 352
31.3.2工艺过程 352
本章小结 353
复习题 354
主要参考文献 354
第32章 有机酸类产品的发酵生产 355
32.1概述 355
32.2柠檬酸的发酵生产 356
32.2.1柠檬酸发酵菌种 356
32.2.2柠檬酸的合成途径 356
32.2.3柠檬酸的生产工艺 357
32.3乳酸的发酵生产 358
32.3.1乳酸发酵菌种 359
32.3.2乳酸的合成途径 360
32.3.3乳酸的生产工艺 360
32.4其他有机酸的发酵生产 361
32.4.1苹果酸发酵生产 361
32.4.2丙酮酸发酵生产 361
32.4.3琥珀酸发酵生产 361
32.4.4曲酸发酵生产 362
32.4.5丙酸发酵生产 362
本章小结 363
复习题 363
主要参考文献 363
第33章 醇酮类产品的发酵生产 364
33.1甘油的发酵生产 364
33.1.1发酵法生产甘油的工艺 364
33.1.2甘油的提取 365
33.2丙酮丁醇的发酵生产 365
33.2.1菌种 365
33.2.2发酵工艺 365
33.3乙醇的发酵生产 366
33.3.1概述 366
33.3.2乙醇的发酵工艺 367
33.3.3乙醇蒸馏与精馏 369
本章小结 369
复习题 369
主要参考文献 369