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發(fā)酵工程 版權(quán)信息
- ISBN：9787030375001
- 條形碼：9787030375001 ; 978-7-03-037500-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
發(fā)酵工程 內(nèi)容簡介
本書是一本系統(tǒng)介紹發(fā)酵工程基礎(chǔ)理論和技術(shù)的教材。參與編寫者在教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐上都有較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。它以發(fā)酵工程為主線，并且緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)踐，突出了系統(tǒng)性、前沿性、科學(xué)性和實(shí)踐性的特色。通過本教材的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生全面掌握發(fā)酵工程的原理與應(yīng)用，熟悉現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展方向，為學(xué)生今后從事與發(fā)酵工業(yè)相關(guān)的生產(chǎn)、研究和開發(fā)打下良好的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。全書共分二十七章，內(nèi)容主要包括菌種的來源、菌種的選育、微生物代謝調(diào)節(jié)、滅菌與空氣的凈化、種子的擴(kuò)大培養(yǎng)、發(fā)酵工藝的控制、發(fā)酵動力學(xué)、發(fā)酵的染菌及其防治、產(chǎn)物分離和純化、發(fā)酵設(shè)備、典型發(fā)酵產(chǎn)品介紹等。
發(fā)酵工程 目錄
目錄
前言
第1章 概論 1
1.1 發(fā)酵工程的發(fā)展簡史 1
1.1.1 傳統(tǒng)生物技術(shù)的追溯 2
1.1.2 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的**轉(zhuǎn)折時(shí)期 2
1.1.3 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第二轉(zhuǎn)折時(shí)期 3
1.1.4 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第三轉(zhuǎn)折時(shí)期 4
1.1.5 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第四轉(zhuǎn)折時(shí)期 5
1.2 發(fā)酵工業(yè)的特征 7
1.3 發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用范疇 7
1.3.1 微生物菌體發(fā)酵 8
1.3.2 微生物酶發(fā)酵 8
1.3.3 微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵 8
1.3.4 微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵 8
1.3.5 現(xiàn)代生物技術(shù)的生物細(xì)胞發(fā)酵 9
1.3.6 微生物處理廢水 9
1.3.7 其他 9
1.4 發(fā)酵工程在生物工程中的位置 9
1.5 現(xiàn)代發(fā)酵工程的意義和展望 10
本章小結(jié) 11
復(fù)習(xí)題 11
主要參考文獻(xiàn) 11
**篇 發(fā)酵反應(yīng)過程原理篇
第2章 菌種的來源 15
2.1 生物物質(zhì)產(chǎn)生菌的篩選 15
2.1.1 生物活性物質(zhì)的主要來源 15
2.1.2 標(biāo)本的采集 16
2.1.3 樣本的預(yù)處理 17
2.2 菌種的分離 18
2.2.1 集菌培養(yǎng) 18
2.2.2 純化分離 20
2.2.3 純培養(yǎng)的驗(yàn)證 22
2.3 工業(yè)微生物分離的注意事項(xiàng) 22
本章小結(jié) 23
復(fù)習(xí)題 23
主要參考文獻(xiàn) 23
第3章 菌種的選育及保藏 25
3.1 自然選育 25
3.1.1 自然變異的產(chǎn)生 25
3.1.2 自然選育的方法 25
3.2 誘變育種 26
3.2.1 誘變育種的原理及誘變劑 26
3.2.2 誘變育種的步驟 27
3.2.3 影響誘變效果的主要因素 28
3.3 雜交育種 31
3.3.1 準(zhǔn)性生殖 31
3.3.2 接合 32
3.3.3 原生質(zhì)體融合 32
3.4 代謝控制育種 35
3.5 基因工程育種 36
3.5.1 目的基因的獲得 37
3.5.2 載體的選擇與準(zhǔn)備 39
3.5.3 基因與載體的連接 40
3.5.4 外源基因的導(dǎo)入 40
3.5.5 重組體的篩選和產(chǎn)物的表達(dá) 41
3.6 微生物菌種的保藏與復(fù)壯 42
3.6.1 菌種保藏 42
3.6.2 菌種的復(fù)壯 45
3.6.3 菌種保藏機(jī)構(gòu)和分工 46
本章小結(jié) 47
復(fù)習(xí)題 47
主要參考文獻(xiàn) 48
第4章 微生物代謝調(diào)節(jié) 49
4.1 微生物的代謝類型和自我調(diào)節(jié) 49
4.1.1 微生物的代謝類型 49
4.1.2 微生物自我調(diào)節(jié)的部位 49
4.2 酶活性調(diào)節(jié) 50
4.2.1 酶的激活作用與抑制作用 50
4.2.2 酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)制 51
4.3 酶合成調(diào)節(jié) 52
4.3.1 酶合成的誘導(dǎo)作用 53
4.3.2 酶合成的阻遏 53
4.3.3 酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制 55
4.4 分支生物合成途徑的調(diào)節(jié) 57
4.4.1 同工酶調(diào)節(jié) 58
4.4.2 協(xié)同反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.3 累積反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.4 增效反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.5 順序反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.6 聯(lián)合激活或反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.7 酶的共價(jià)修飾 59
4.5 能荷調(diào)節(jié) 60
4.6 代謝調(diào)控 61
4.6.1 發(fā)酵條件的控制 61
4.6.2 發(fā)酵與分離過程耦合 62
4.6.3 改變細(xì)胞透性 62
4.6.4 菌種遺傳特性的改變 62
4.7 次級代謝與次級代謝調(diào)節(jié) 64
4.7.1 初級代謝與次級代謝 64
4.7.2 次級代謝的調(diào)節(jié)類型 64
4.8 代謝工程 66
4.8.1 改變代謝途徑 66
4.8.2 擴(kuò)展代謝途徑 68
4.8.3 轉(zhuǎn)移或構(gòu)建新的代謝途徑 69
本章小結(jié) 69
復(fù)習(xí)題 70
主要參考文獻(xiàn) 70
第5章 發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的設(shè)計(jì) 72
5.1 發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的基本要求 72
5.2 培養(yǎng)基的成分 73
5.2.1 碳源 73
5.2.2 氮源 74
5.2.3 無機(jī)鹽及微量元素 74
5.2.4 水 75
5.2.5 生長調(diào)節(jié)物質(zhì) 75
5.3 培養(yǎng)基的類型 76
5.3.1 按純度分類 76
5.3.2 按形態(tài)分類 76
5.3.3 按用途分類 77
5.4 培養(yǎng)基的設(shè)計(jì) 78
5.4.1 菌體同化能力 78
5.4.2 碳氮比 78
5.4.3 pH 78
5.4.4 補(bǔ)料 79
5.4.5 影響培養(yǎng)基質(zhì)量的其他因素 79
5.5 發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化方法 80
5.5.1 理論轉(zhuǎn)化率的計(jì)算 80
5.5.2 培養(yǎng)基優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 80
本章小結(jié) 86
復(fù)習(xí)題 86
主要參考文獻(xiàn) 87
第6章 發(fā)酵滅菌與空氣的凈化 88
6.1 滅菌的方法 88
6.1.1 干熱滅菌法 88
6.1.2 濕熱滅菌法 88
6.1.3 射線滅菌法 89
6.1.4 化學(xué)藥劑滅菌法 89
6.1.5 過濾除菌法 90
6.1.6 火焰滅菌法 90
6.2 培養(yǎng)基和設(shè)備的滅菌 90
6.2.1 濕熱滅菌的原理 90
6.2.2 培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇 93
6.2.3 培養(yǎng)基的分批滅菌 94
6.2.4 培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌 95
6.3 空氣除菌 97
6.3.1 空氣除菌方法 98
6.3.2 介質(zhì)除菌的原理 98
6.3.3 介質(zhì)過濾效率和過濾器計(jì)算 99
本章小結(jié) 101
復(fù)習(xí)題 101
主要參考文獻(xiàn) 101
第7章 種子擴(kuò)大培養(yǎng) 102
7.1 種子制備工藝 102
7.1.1 實(shí)驗(yàn)室種子制備 102
7.1.2 生產(chǎn)車間種子制備 103
7.1.3 影響種子質(zhì)量的因素 103
7.2 種子質(zhì)量的控制措施 107
7.2.1 種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 107
7.2.2 種子質(zhì)量檢查 107
7.2.3 種子的異常分析 109
7.2.4 種子質(zhì)量的控制措施 109
本章小結(jié) 110
復(fù)習(xí)題 110
主要參考文獻(xiàn) 110
第8章 發(fā)酵工藝控制 111
8.1 溫度對發(fā)酵的影響及其調(diào)節(jié)控制 111
8.1.1 溫度對發(fā)酵的影響 111
8.1.2 影響發(fā)酵溫度的因素 112
8.1.3 發(fā)酵熱的測定 113
8.1.4 *適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制 113
8.2 pH 對發(fā)酵的影響及其調(diào)節(jié)控制 114
8.2.1 pH對發(fā)酵的影響 114
8.2.2 影響發(fā)酵pH的因素 115
8.2.3 *適pH的選擇和調(diào)節(jié) 115
8.3 氧對發(fā)酵的影響及其調(diào)節(jié)控制 116
8.3.1 氧的傳遞和傳質(zhì)方程式 116
8.3.2 影響微生物對氧需求的因素 118
8.3.3 培養(yǎng)基的流變特性 119
8.3.4 影響供氧的因素 121
8.3.5 液相體積氧傳質(zhì)系數(shù)KLa 的測定 123
8.4 二氧化碳對發(fā)酵的影響及其控制 124
8.4.1 二氧化碳的來源及其對發(fā)酵的影響 124
8.4.2 二氧化碳濃度的控制 125
8.5 泡沫對發(fā)酵的影響及其控制 125
8.5.1 泡沫產(chǎn)生的原因 125
8.5.2 泡沫對發(fā)酵的危害 126
8.5.3 泡沫的消長規(guī)律 126
8.5.4 泡沫的消除和防止 126
本章小結(jié) 127
復(fù)習(xí)題 128
主要參考文獻(xiàn) 128
第9章 發(fā)酵過程的檢測與自控 129
9.1 發(fā)酵過程檢測 129
9.1.1 概述 129
9.1.2 發(fā)酵傳感器 129
9.1.3 發(fā)酵過程檢測的可靠性 134
9.2 發(fā)酵過程變量的間接估計(jì) 135
9.2.1 與基質(zhì)消耗有關(guān)變量的估計(jì) 135
9.2.2 與呼吸有關(guān)變量的估計(jì) 135
9.2.3 與細(xì)胞生長有關(guān)變量的估計(jì) 136
9.3 發(fā)酵過程自控 137
9.3.1 基本自控系統(tǒng) 137
9.3.2 發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 140
本章小結(jié) 142
復(fù)習(xí)題 143
主要參考文獻(xiàn) 143
第10章 發(fā)酵染菌及其防治 144
10.1 染菌對發(fā)酵的影響 144
10.1.1 染菌對不同發(fā)酵過程的影響 144
10.1.2 染菌時(shí)間對發(fā)酵的影響 144
10.1.3 染菌程度對發(fā)酵的影響 145
10.2 發(fā)酵異常的判斷及原因分析 145
10.2.1 種子培養(yǎng)和發(fā)酵的異常現(xiàn)象 145
10.2.2 染菌的檢查和判斷 147
10.2.3 發(fā)酵染菌原因分析 148
10.3 雜菌污染的途徑和防治 150
10.3.1 種子帶菌及其防治 150
10.3.2 空氣帶菌及其防治 150
10.3.3 操作失誤導(dǎo)致染菌及其防治 151
10.3.4 設(shè)備滲漏或“死角”造成的染菌及其防治 152
10.3.5 噬菌體污染及其防治 153
10.3.6 雜菌污染的挽救與處理 154
本章小結(jié) 155
復(fù)習(xí)題 155
主要參考文獻(xiàn) 155
第11章 發(fā)酵動力學(xué) 156
11.1 分批培養(yǎng)動力學(xué) 156
11.1.1 分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長動力學(xué) 156
11.1.2 產(chǎn)物合成與微生物生長的動力學(xué)關(guān)系 159
11.1.3 分批培養(yǎng)過程的生產(chǎn)率 160
11.2 連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 160
11.2.1 連續(xù)培養(yǎng)設(shè)備 161
11.2.2 單級恒化器連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 161
11.2.3 多級串聯(lián)和部分菌體再循環(huán)的連續(xù)培養(yǎng) 162
11.2.4 連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用 163
11.3 補(bǔ)料分批培養(yǎng)動力學(xué) 164
本章小結(jié) 165
復(fù)習(xí)題 166
主要參考文獻(xiàn) 166
第12章 發(fā)酵過程經(jīng)濟(jì)學(xué) 167
12.1 發(fā)酵成本的構(gòu)成 167
12.1.1 固定成本 167
12.1.2 可變成本 167
12.1.3 發(fā)酵產(chǎn)品成本的分布 168
12.2 影響發(fā)酵成本的主要因素及成本控制 168
12.2.1 菌株選育 168
12.2.2 培養(yǎng)基成本 169
12.2.3 動力成本 170
12.2.4 培養(yǎng)方式 170
12.2.5 工廠規(guī)模 171
12.2.6 產(chǎn)物分離純化 172
12.2.7 發(fā)酵自動化程度 172
12.2.8 發(fā)酵過程優(yōu)化 173
12.2.9 市場經(jīng)濟(jì)分析 173
12.3 發(fā)酵過程經(jīng)濟(jì)分析 173
12.3.1 發(fā)酵過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo) 173
12.3.2 發(fā)酵過程的經(jīng)濟(jì)效益分析 174
本章小結(jié) 175
復(fù)習(xí)題 176
主要參考文獻(xiàn) 176
第13章 現(xiàn)代生物技術(shù)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用 177
13.1 基因工程菌發(fā)酵 177
13.1.1 基因工程菌的來源和應(yīng)用 177
13.1.2 基因工程菌的培養(yǎng) 178
1
前言
第1章 概論 1
1.1 發(fā)酵工程的發(fā)展簡史 1
1.1.1 傳統(tǒng)生物技術(shù)的追溯 2
1.1.2 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的**轉(zhuǎn)折時(shí)期 2
1.1.3 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第二轉(zhuǎn)折時(shí)期 3
1.1.4 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第三轉(zhuǎn)折時(shí)期 4
1.1.5 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第四轉(zhuǎn)折時(shí)期 5
1.2 發(fā)酵工業(yè)的特征 7
1.3 發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用范疇 7
1.3.1 微生物菌體發(fā)酵 8
1.3.2 微生物酶發(fā)酵 8
1.3.3 微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵 8
1.3.4 微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵 8
1.3.5 現(xiàn)代生物技術(shù)的生物細(xì)胞發(fā)酵 9
1.3.6 微生物處理廢水 9
1.3.7 其他 9
1.4 發(fā)酵工程在生物工程中的位置 9
1.5 現(xiàn)代發(fā)酵工程的意義和展望 10
本章小結(jié) 11
復(fù)習(xí)題 11
主要參考文獻(xiàn) 11
**篇 發(fā)酵反應(yīng)過程原理篇
第2章 菌種的來源 15
2.1 生物物質(zhì)產(chǎn)生菌的篩選 15
2.1.1 生物活性物質(zhì)的主要來源 15
2.1.2 標(biāo)本的采集 16
2.1.3 樣本的預(yù)處理 17
2.2 菌種的分離 18
2.2.1 集菌培養(yǎng) 18
2.2.2 純化分離 20
2.2.3 純培養(yǎng)的驗(yàn)證 22
2.3 工業(yè)微生物分離的注意事項(xiàng) 22
本章小結(jié) 23
復(fù)習(xí)題 23
主要參考文獻(xiàn) 23
第3章 菌種的選育及保藏 25
3.1 自然選育 25
3.1.1 自然變異的產(chǎn)生 25
3.1.2 自然選育的方法 25
3.2 誘變育種 26
3.2.1 誘變育種的原理及誘變劑 26
3.2.2 誘變育種的步驟 27
3.2.3 影響誘變效果的主要因素 28
3.3 雜交育種 31
3.3.1 準(zhǔn)性生殖 31
3.3.2 接合 32
3.3.3 原生質(zhì)體融合 32
3.4 代謝控制育種 35
3.5 基因工程育種 36
3.5.1 目的基因的獲得 37
3.5.2 載體的選擇與準(zhǔn)備 39
3.5.3 基因與載體的連接 40
3.5.4 外源基因的導(dǎo)入 40
3.5.5 重組體的篩選和產(chǎn)物的表達(dá) 41
3.6 微生物菌種的保藏與復(fù)壯 42
3.6.1 菌種保藏 42
3.6.2 菌種的復(fù)壯 45
3.6.3 菌種保藏機(jī)構(gòu)和分工 46
本章小結(jié) 47
復(fù)習(xí)題 47
主要參考文獻(xiàn) 48
第4章 微生物代謝調(diào)節(jié) 49
4.1 微生物的代謝類型和自我調(diào)節(jié) 49
4.1.1 微生物的代謝類型 49
4.1.2 微生物自我調(diào)節(jié)的部位 49
4.2 酶活性調(diào)節(jié) 50
4.2.1 酶的激活作用與抑制作用 50
4.2.2 酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)制 51
4.3 酶合成調(diào)節(jié) 52
4.3.1 酶合成的誘導(dǎo)作用 53
4.3.2 酶合成的阻遏 53
4.3.3 酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制 55
4.4 分支生物合成途徑的調(diào)節(jié) 57
4.4.1 同工酶調(diào)節(jié) 58
4.4.2 協(xié)同反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.3 累積反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.4 增效反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.5 順序反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.6 聯(lián)合激活或反饋調(diào)節(jié) 59
4.4.7 酶的共價(jià)修飾 59
4.5 能荷調(diào)節(jié) 60
4.6 代謝調(diào)控 61
4.6.1 發(fā)酵條件的控制 61
4.6.2 發(fā)酵與分離過程耦合 62
4.6.3 改變細(xì)胞透性 62
4.6.4 菌種遺傳特性的改變 62
4.7 次級代謝與次級代謝調(diào)節(jié) 64
4.7.1 初級代謝與次級代謝 64
4.7.2 次級代謝的調(diào)節(jié)類型 64
4.8 代謝工程 66
4.8.1 改變代謝途徑 66
4.8.2 擴(kuò)展代謝途徑 68
4.8.3 轉(zhuǎn)移或構(gòu)建新的代謝途徑 69
本章小結(jié) 69
復(fù)習(xí)題 70
主要參考文獻(xiàn) 70
第5章 發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的設(shè)計(jì) 72
5.1 發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的基本要求 72
5.2 培養(yǎng)基的成分 73
5.2.1 碳源 73
5.2.2 氮源 74
5.2.3 無機(jī)鹽及微量元素 74
5.2.4 水 75
5.2.5 生長調(diào)節(jié)物質(zhì) 75
5.3 培養(yǎng)基的類型 76
5.3.1 按純度分類 76
5.3.2 按形態(tài)分類 76
5.3.3 按用途分類 77
5.4 培養(yǎng)基的設(shè)計(jì) 78
5.4.1 菌體同化能力 78
5.4.2 碳氮比 78
5.4.3 pH 78
5.4.4 補(bǔ)料 79
5.4.5 影響培養(yǎng)基質(zhì)量的其他因素 79
5.5 發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化方法 80
5.5.1 理論轉(zhuǎn)化率的計(jì)算 80
5.5.2 培養(yǎng)基優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 80
本章小結(jié) 86
復(fù)習(xí)題 86
主要參考文獻(xiàn) 87
第6章 發(fā)酵滅菌與空氣的凈化 88
6.1 滅菌的方法 88
6.1.1 干熱滅菌法 88
6.1.2 濕熱滅菌法 88
6.1.3 射線滅菌法 89
6.1.4 化學(xué)藥劑滅菌法 89
6.1.5 過濾除菌法 90
6.1.6 火焰滅菌法 90
6.2 培養(yǎng)基和設(shè)備的滅菌 90
6.2.1 濕熱滅菌的原理 90
6.2.2 培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇 93
6.2.3 培養(yǎng)基的分批滅菌 94
6.2.4 培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌 95
6.3 空氣除菌 97
6.3.1 空氣除菌方法 98
6.3.2 介質(zhì)除菌的原理 98
6.3.3 介質(zhì)過濾效率和過濾器計(jì)算 99
本章小結(jié) 101
復(fù)習(xí)題 101
主要參考文獻(xiàn) 101
第7章 種子擴(kuò)大培養(yǎng) 102
7.1 種子制備工藝 102
7.1.1 實(shí)驗(yàn)室種子制備 102
7.1.2 生產(chǎn)車間種子制備 103
7.1.3 影響種子質(zhì)量的因素 103
7.2 種子質(zhì)量的控制措施 107
7.2.1 種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 107
7.2.2 種子質(zhì)量檢查 107
7.2.3 種子的異常分析 109
7.2.4 種子質(zhì)量的控制措施 109
本章小結(jié) 110
復(fù)習(xí)題 110
主要參考文獻(xiàn) 110
第8章 發(fā)酵工藝控制 111
8.1 溫度對發(fā)酵的影響及其調(diào)節(jié)控制 111
8.1.1 溫度對發(fā)酵的影響 111
8.1.2 影響發(fā)酵溫度的因素 112
8.1.3 發(fā)酵熱的測定 113
8.1.4 *適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制 113
8.2 pH 對發(fā)酵的影響及其調(diào)節(jié)控制 114
8.2.1 pH對發(fā)酵的影響 114
8.2.2 影響發(fā)酵pH的因素 115
8.2.3 *適pH的選擇和調(diào)節(jié) 115
8.3 氧對發(fā)酵的影響及其調(diào)節(jié)控制 116
8.3.1 氧的傳遞和傳質(zhì)方程式 116
8.3.2 影響微生物對氧需求的因素 118
8.3.3 培養(yǎng)基的流變特性 119
8.3.4 影響供氧的因素 121
8.3.5 液相體積氧傳質(zhì)系數(shù)KLa 的測定 123
8.4 二氧化碳對發(fā)酵的影響及其控制 124
8.4.1 二氧化碳的來源及其對發(fā)酵的影響 124
8.4.2 二氧化碳濃度的控制 125
8.5 泡沫對發(fā)酵的影響及其控制 125
8.5.1 泡沫產(chǎn)生的原因 125
8.5.2 泡沫對發(fā)酵的危害 126
8.5.3 泡沫的消長規(guī)律 126
8.5.4 泡沫的消除和防止 126
本章小結(jié) 127
復(fù)習(xí)題 128
主要參考文獻(xiàn) 128
第9章 發(fā)酵過程的檢測與自控 129
9.1 發(fā)酵過程檢測 129
9.1.1 概述 129
9.1.2 發(fā)酵傳感器 129
9.1.3 發(fā)酵過程檢測的可靠性 134
9.2 發(fā)酵過程變量的間接估計(jì) 135
9.2.1 與基質(zhì)消耗有關(guān)變量的估計(jì) 135
9.2.2 與呼吸有關(guān)變量的估計(jì) 135
9.2.3 與細(xì)胞生長有關(guān)變量的估計(jì) 136
9.3 發(fā)酵過程自控 137
9.3.1 基本自控系統(tǒng) 137
9.3.2 發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 140
本章小結(jié) 142
復(fù)習(xí)題 143
主要參考文獻(xiàn) 143
第10章 發(fā)酵染菌及其防治 144
10.1 染菌對發(fā)酵的影響 144
10.1.1 染菌對不同發(fā)酵過程的影響 144
10.1.2 染菌時(shí)間對發(fā)酵的影響 144
10.1.3 染菌程度對發(fā)酵的影響 145
10.2 發(fā)酵異常的判斷及原因分析 145
10.2.1 種子培養(yǎng)和發(fā)酵的異常現(xiàn)象 145
10.2.2 染菌的檢查和判斷 147
10.2.3 發(fā)酵染菌原因分析 148
10.3 雜菌污染的途徑和防治 150
10.3.1 種子帶菌及其防治 150
10.3.2 空氣帶菌及其防治 150
10.3.3 操作失誤導(dǎo)致染菌及其防治 151
10.3.4 設(shè)備滲漏或“死角”造成的染菌及其防治 152
10.3.5 噬菌體污染及其防治 153
10.3.6 雜菌污染的挽救與處理 154
本章小結(jié) 155
復(fù)習(xí)題 155
主要參考文獻(xiàn) 155
第11章 發(fā)酵動力學(xué) 156
11.1 分批培養(yǎng)動力學(xué) 156
11.1.1 分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長動力學(xué) 156
11.1.2 產(chǎn)物合成與微生物生長的動力學(xué)關(guān)系 159
11.1.3 分批培養(yǎng)過程的生產(chǎn)率 160
11.2 連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 160
11.2.1 連續(xù)培養(yǎng)設(shè)備 161
11.2.2 單級恒化器連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué) 161
11.2.3 多級串聯(lián)和部分菌體再循環(huán)的連續(xù)培養(yǎng) 162
11.2.4 連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用 163
11.3 補(bǔ)料分批培養(yǎng)動力學(xué) 164
本章小結(jié) 165
復(fù)習(xí)題 166
主要參考文獻(xiàn) 166
第12章 發(fā)酵過程經(jīng)濟(jì)學(xué) 167
12.1 發(fā)酵成本的構(gòu)成 167
12.1.1 固定成本 167
12.1.2 可變成本 167
12.1.3 發(fā)酵產(chǎn)品成本的分布 168
12.2 影響發(fā)酵成本的主要因素及成本控制 168
12.2.1 菌株選育 168
12.2.2 培養(yǎng)基成本 169
12.2.3 動力成本 170
12.2.4 培養(yǎng)方式 170
12.2.5 工廠規(guī)模 171
12.2.6 產(chǎn)物分離純化 172
12.2.7 發(fā)酵自動化程度 172
12.2.8 發(fā)酵過程優(yōu)化 173
12.2.9 市場經(jīng)濟(jì)分析 173
12.3 發(fā)酵過程經(jīng)濟(jì)分析 173
12.3.1 發(fā)酵過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo) 173
12.3.2 發(fā)酵過程的經(jīng)濟(jì)效益分析 174
本章小結(jié) 175
復(fù)習(xí)題 176
主要參考文獻(xiàn) 176
第13章 現(xiàn)代生物技術(shù)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用 177
13.1 基因工程菌發(fā)酵 177
13.1.1 基因工程菌的來源和應(yīng)用 177
13.1.2 基因工程菌的培養(yǎng) 178
1
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發(fā)酵工程 節(jié)選
第1章 概論 內(nèi)容提要：發(fā)酵工程是傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)與現(xiàn)代生物工程相結(jié)合而發(fā)展起來的現(xiàn)代生物技術(shù)，是基因工程、酶工程、細(xì)胞工程等生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的橋梁和關(guān)鍵技術(shù)。從傳統(tǒng)的發(fā)酵技術(shù)到現(xiàn)代生物技術(shù)，其發(fā)展的時(shí)間和空間跨度越來越短。它記載著古代文明的足跡，又反映出近代生物技術(shù)發(fā)展的軌跡。它與人類生活密切相關(guān)，其應(yīng)用范圍遍及醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)林牧漁、輕工食品、化工能源、環(huán)境保護(hù)和冶金采礦等各個(gè)領(lǐng)域，為解決人類當(dāng)今所面臨的食物、健康、環(huán)境和能源等諸多重大問題提供了科學(xué)的手段并開辟了新的途徑。 所謂發(fā)酵工程，即通過改造發(fā)酵所用的菌及應(yīng)用技術(shù)手段控制發(fā)酵過程來大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品。工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展*早始于發(fā)酵生產(chǎn)。 發(fā)酵生產(chǎn)有著悠久的歷史，春秋時(shí)代的孔子已經(jīng)借酒助興。《十國春秋》載：“文王飲酒千鐘，孔子百觚。”《詩經(jīng)》三百篇，言酒者五十有余。有人說，翻開《詩經(jīng)》就有濃烈的酒香散出，讀多了還會醉在其中。 發(fā)酵（fermentation）這個(gè)術(shù)語在1600年就開始使用，它*初來源于拉丁語“發(fā)泡”（fervere），意思是指那些一般伴有氣體放出的食物分解過程。例如，酒精發(fā)酵，蓋 呂薩克1815年提出酒精發(fā)酵的化學(xué)式，糖→酒精+二氧化碳。 然而對發(fā)酵本質(zhì)的認(rèn)識和發(fā)酵工業(yè)的建立卻只是近百年的事。發(fā)酵對不同的對象具有不同的意義：對生物化學(xué)或生理學(xué)家來說，發(fā)酵是指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)從而產(chǎn)能的一種方式，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。例如，葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳，同時(shí)獲得能量；丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等。 但對工業(yè)微生物學(xué)家來說，它的意義就廣泛得多。工業(yè)上是泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及好氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品既有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在應(yīng)用微生物工業(yè)中，“發(fā)酵”一詞的范圍現(xiàn)在又?jǐn)U展到泛指所有通過培養(yǎng)生物細(xì)胞（含動、植物細(xì)胞和微生物）來制得產(chǎn)物的過程，包括天然的發(fā)酵過程和人工控制的發(fā)酵過程。 1.1 發(fā)酵工程的發(fā)展簡史 發(fā)酵技術(shù)是人類*早通過實(shí)踐所掌握的生產(chǎn)技術(shù)之一，產(chǎn)品也很多，以傳統(tǒng)的食品和飲料來說，在西方有啤酒、葡萄酒、面包、干酪；在東方有醬、醬油、醋、米酒；在中東和近東有乳酸等發(fā)酵產(chǎn)品。這些產(chǎn)品都是數(shù)千年來，憑借人類的智慧和經(jīng)驗(yàn)，在沒有親眼見到微生物的情況下，巧妙地利用微生物所獲得的產(chǎn)品。3000年前，中國已有用長霉的豆腐治療皮膚病的記載，這很可能就是因?yàn)槎垢祥L的霉菌中有些種類能產(chǎn)生青霉素之類抗生素的緣故。但是作為發(fā)酵工業(yè)卻是近百年才發(fā)展起來的。它的發(fā)展大致經(jīng)歷如下幾個(gè)階段。 1.1.1 傳統(tǒng)生物技術(shù)的追溯（即天然發(fā)酵階段，1863年之前） 始自家庭工業(yè)即食品釀造工業(yè)。從史前至19世紀(jì)末，人類利用自然接種方法進(jìn)行發(fā)酵制品的生產(chǎn)。主要產(chǎn)品有酒、醬油、醋、干酪、酸乳等傳統(tǒng)產(chǎn)品。但由于人們對微生物的本質(zhì)缺乏認(rèn)識，進(jìn)展緩慢，當(dāng)時(shí)實(shí)際上還談不上發(fā)酵工業(yè)，而僅僅是家庭式或作坊式的手工業(yè)生產(chǎn)。生產(chǎn)技術(shù)只憑經(jīng)驗(yàn)口傳心授，且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，多數(shù)產(chǎn)品為厭氧發(fā)酵，非純種培養(yǎng)。 這個(gè)時(shí)期的一些生活或生產(chǎn)實(shí)踐基本上是知其然而不知其所以然的實(shí)踐，是一種經(jīng)驗(yàn)發(fā)酵技術(shù)時(shí)期，因此在其后的相當(dāng)長的時(shí)期中沒有大的突破，但這些實(shí)踐是很可貴的，它為以后發(fā)酵理論的建立創(chuàng)造了基礎(chǔ)。 這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品：酒、醋、醬和醬油、泡菜、奶酪等。 這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)：地方性（因而形成了各種風(fēng)味特色等）、經(jīng)驗(yàn)性、偶然性、“知其然，不知其所以然”。 1.1.2 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的**轉(zhuǎn)折時(shí)期——純培養(yǎng)技術(shù)的建立（即巴斯德時(shí)期，1863～1941年） 1872年，布雷菲爾德創(chuàng)建了霉菌的分離與純培養(yǎng)技術(shù)。 1878年，漢遜等創(chuàng)建了酵母菌的分離與純培養(yǎng)技術(shù)。 1881年，柯赫等創(chuàng)建了細(xì)菌的分離與純培養(yǎng)技術(shù)。 從此，人類可以控制某種微生物的生命活動，把單一的微生物菌種用于各種發(fā)酵工業(yè)，從而使發(fā)酵的生產(chǎn)技術(shù)得到巨大的改良，由于采用純種培養(yǎng)與無菌操作技術(shù)，包括滅菌和使用密閉式發(fā)酵罐，發(fā)酵過程避免了雜菌污染，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大了，產(chǎn)品質(zhì)量提高了，產(chǎn)品穩(wěn)定性也提高了，這對發(fā)酵工業(yè)起到了巨大的推動作用。特別是在**次世界大戰(zhàn)（1914～1918年）中，由于戰(zhàn)爭的需要（即社會的需要），丙酮、丁醇和甘油等工業(yè)飛快發(fā)展，不僅建立了真正的發(fā)酵工業(yè)，并使其逐漸成為化學(xué)工業(yè)的一部分，發(fā)酵工業(yè)開始了由食品工業(yè)向非食品工業(yè)的發(fā)展。因此可以認(rèn)為純培養(yǎng)技術(shù)的建立是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的**個(gè)轉(zhuǎn)折時(shí)期。從此，人類開始了人為地控制微生物的時(shí)代。 另一方面，布赫納（Buchner）又闡明了微生物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。他用磨碎的酵母細(xì)胞制成酵母汁，加入大量蔗糖后，發(fā)現(xiàn)有CO2和乙醇的形成。這時(shí)人們才知道，任何生物都含有產(chǎn)生發(fā)酵的物質(zhì)（酶）。這就證明了酒精的發(fā)酵過程是由酶催化的一系列化學(xué)反應(yīng)。后來對微生物的酶又進(jìn)行了詳細(xì)的研究。到了20世紀(jì)初，人們認(rèn)識到，生物化學(xué)領(lǐng)域中研究過的肌糖酵解作用，與微生物引起的乳酸發(fā)酵和乙醇發(fā)酵，在本質(zhì)上是相似的。這樣就溝通了生物化學(xué)與微生物這兩門學(xué)科。 這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品：乳酸、酒精、面包酵母、丙酮丁醇、檸檬酸、淀粉酶、蛋白酶（采用表面培養(yǎng)法生產(chǎn)）。 這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)：產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)簡單（比起原料來更為簡單）、初級代謝產(chǎn)物、厭氧發(fā)酵、表面培養(yǎng)（產(chǎn)品的生產(chǎn)過程也較為簡單，對生產(chǎn)設(shè)備的要求不高，規(guī)模一般不大）。 延伸閱讀——純培養(yǎng)技術(shù)建立前的技術(shù)準(zhǔn)備期 1675年，發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌（在荷蘭人列文虎克發(fā)明了顯微鏡以后）。 1857年，發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵與微生物有關(guān)。 1860～1861年，曲頸瓶試驗(yàn)。 1863年，巴斯德消毒法。 1.1.3 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第二轉(zhuǎn)折時(shí)期——通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立（即抗生素時(shí)期，1941～1956年） 在1900～1940年的幾十年時(shí)間里，發(fā)酵技術(shù)取得了一系列的進(jìn)展，如面包酵母發(fā)酵過程中所采用的逐步補(bǔ)加培養(yǎng)基成分的技術(shù)就是現(xiàn)今所稱的補(bǔ)料分批培養(yǎng)法，通入空氣的設(shè)施也改用噴射管，用低碳鋼制造的圓柱形發(fā)酵罐，采用加壓蒸汽滅菌和無菌接種技術(shù)，純種培養(yǎng)新技術(shù)的建立等，這些都是當(dāng)時(shí)為改進(jìn)發(fā)酵工藝所取得的進(jìn)展。 但是，這些進(jìn)展只有在第二次世界大戰(zhàn)（1939～1945年）期間，才得到了集中的應(yīng)用和體現(xiàn)，當(dāng)時(shí)由于戰(zhàn)爭的需要（即社會的需要），迫切需要大規(guī)模生產(chǎn)青霉素，但青霉素生產(chǎn)又是需氧發(fā)酵，很易受到雜菌污染，因此就借鑒了丙酮丁醇的純種厭氧發(fā)酵技術(shù)，成功地建立起深層通氣培養(yǎng)法和一整套培養(yǎng)技術(shù)，包括向發(fā)酵罐中通入大量無菌空氣、通過攪拌使空氣均勻分布、培養(yǎng)基的滅菌和無菌接種等，使微生物在培養(yǎng)過程中的溫度、pH、通氣量、營養(yǎng)物的供給都受到嚴(yán)格的控制。這些技術(shù)都為以后的微生物工業(yè)提供了新的概念和模式，成為當(dāng)代微生物工業(yè)興旺發(fā)達(dá)的開端。當(dāng)時(shí)青霉素的生產(chǎn)菌種的產(chǎn)量很低，為了提高菌種生產(chǎn)能力，又發(fā)展了改良菌種的技術(shù)。青霉素的中間試驗(yàn)和提取工藝的新技術(shù)也取得了比較迅速的進(jìn)展。上述的深層培養(yǎng)法和操作技術(shù)，除用于其他抗生素發(fā)酵外，以后的微生物酶制劑、檸檬酸、維生素、氨基酸和甾類轉(zhuǎn)化等產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)，都采用這種方法。 延伸閱讀——青霉素的問世 青霉素的問世開始于英國科學(xué)家弗萊明（Fleming）在1922年的一個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)。 1922年，弗萊明發(fā)現(xiàn)“溶菌酶”。1922年，英國倫敦圣瑪麗學(xué)院細(xì)菌學(xué)講師弗萊明從人體鼻腔分泌物中觀察到一種酶，即“溶菌酶”，具有抵抗微生物的能力。一種微生物能夠抑制另一種微生物生長的現(xiàn)象，在微生物學(xué)中就叫做“抗生現(xiàn)象”。 1928年，弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素。1928年弗萊明又發(fā)現(xiàn)一種抗生現(xiàn)象，那就是青霉素的抗生作用。 1929年，弗萊明發(fā)表了題為《論青霉菌培養(yǎng)物的抗菌作用》的論文，這一年被視為“抗生素元年”。這個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)限于當(dāng)時(shí)的社會條件，沒有得到重視，如提純技術(shù)的限制、處于全盛時(shí)期的磺胺的壓抑。 1940年，由弗洛里（Florey）和錢恩（Chain）提取并經(jīng)臨床證實(shí)青霉素具有卓越療效并且低毒。 1941年，英美合作開發(fā)青霉素；一方面在美國的4個(gè)工廠采用表面培養(yǎng)法生產(chǎn)青霉素；另一方面著手進(jìn)行沉浸培養(yǎng)法的研究開發(fā)。 1943年，開發(fā)青霉素生產(chǎn)工藝成功。采用帶有機(jī)械攪拌并通入無菌空氣的密閉式發(fā)酵罐，對沉浸培養(yǎng)的青霉素進(jìn)行培養(yǎng)并用離心萃取機(jī)和冷凍干燥機(jī)把青霉素從發(fā)酵液中提取和精制，使得青霉素的產(chǎn)量和質(zhì)量均大幅提高。此后不久，鏈霉素、金霉素、新霉素等相繼問世。 青霉素的成功轟動了全世界，很快，它被投入第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)地救護(hù)，拯救了許多瀕臨死亡的盟軍將士的生命，就連患了肺炎的英國*相丘吉爾，也是靠它才得以恢復(fù)健康。人們把它同原子彈、雷達(dá)并列為二次大戰(zhàn)中的三大發(fā)明。不同的是，原子彈和雷達(dá)是用于戰(zhàn)爭，而青霉素則是用于挽救生命。1945年，弗萊明、弗洛里和錢恩，因發(fā)明青霉素而共同分獲了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。 青霉素的問世，給人類醫(yī)療保健事業(yè)作出了巨大貢獻(xiàn)，使千百萬生命免除了死亡的威脅，同時(shí)在發(fā)酵工業(yè)發(fā)展史上也開創(chuàng)了嶄新的一頁。由抗生素發(fā)酵開始發(fā)展起來的通氣攪拌液體發(fā)酵技術(shù)是現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)*主要的生產(chǎn)方式，它使需氧菌發(fā)酵生產(chǎn)從此走上了大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)途徑，并且逐漸形成和建立起生化工程學(xué)科。與此同時(shí)也有力地促進(jìn)了甾體轉(zhuǎn)化、微生物酶與氨基酸發(fā)酵工業(yè)的迅速發(fā)展，因而認(rèn)為通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)轉(zhuǎn)折時(shí)期，是現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的開端。 這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品：抗生素等。 這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)：產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、次代謝產(chǎn)物、純種深層培養(yǎng)。 1.1.4 發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第三轉(zhuǎn)折時(shí)期——代謝控制發(fā)酵技術(shù)（即后抗生素時(shí)期，1956～1973年） 代謝控制發(fā)酵技術(shù)包括利用調(diào)控代謝的手段進(jìn)行微生物的菌種選育和發(fā)酵條件的控制。該技術(shù)在20世紀(jì)50年代末谷氨酸發(fā)酵取得成功后，發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入第三轉(zhuǎn)折期——代謝控制發(fā)酵時(shí)期，并在其后的年代里得到飛躍的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，取得了引人注目的成就。1956年日本*先成功地利用野生型菌株中的生物素缺陷型菌株進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)。此后，賴氨酸、蘇氨酸等一系列氨基酸都采用該發(fā)酵法生產(chǎn)。顯然，利用微生物生產(chǎn)氨基酸是以代謝調(diào)控為基礎(chǔ)的新的發(fā)酵技術(shù)。 代謝控制發(fā)酵大體過程如下。以生物化學(xué)和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，研究代謝產(chǎn)物的生物合成途徑和代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，選擇巧妙的技術(shù)路線，通過遺傳育種技術(shù)獲得解除或繞過微生物正常代謝途徑的突變株，如營養(yǎng)缺陷菌株或抗代謝類似物菌株，從而人為地使有用產(chǎn)物選擇性地大量合成和累積。代謝控制發(fā)酵的關(guān)鍵，取決于微生物代謝調(diào)控機(jī)制是否能夠解除，能否打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)這一天然屏障，人為地控制微生物的代謝。代謝控制育種和發(fā)酵過程的代謝控制培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩個(gè)手段，而代謝控制育種則為主要支柱技術(shù)。由氨基酸發(fā)酵而開始的代謝控制發(fā)酵，使發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。隨后，核苷酸、抗生素及有機(jī)酸等也利用代謝調(diào)控技術(shù)進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)。 代謝控制發(fā)酵的出現(xiàn)與發(fā)展，與以下幾個(gè)方面是密不可分的：生物化學(xué)的發(fā)展，確立了代謝圖譜，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了代謝過程中的各種調(diào)節(jié)機(jī)制；分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的發(fā)展，可以人為地在DNA分子水平上改變微生物的代謝，多方面利用微生物的代謝活性，使微生物的菌學(xué)特性按人為的目標(biāo)變化；合理控制環(huán)境，采用過程控制方法，完善受控參數(shù)，對發(fā)酵過程進(jìn)行*優(yōu)化控制，使目的產(chǎn)物大量積累。
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