微生物發酵工藝學原理（簡體書）

《普通高等教育“十二五”規劃教材：微生物發酵工藝學原理》共十章，系統論述了利用微生物發酵的基本工藝學知識，包括微生物發酵代謝控制的基本原理與方法、工業微生物育種與種子製備、工業生產用培養基、發酵工程中的滅菌操作、發酵設備簡介、發酵過程優化和工藝控制、通氣和攪拌、發酵產物的常用提取分離方法、發酵產品生產簡介等。內容緊緊圍繞微生物發酵工藝主線，各章既相互聯繫又有一定的獨立性，簡潔、實用，克服了以往一些教材大而全、不便於學生自學的弊端。通過《普通高等教育“十二五”規劃教材：微生物發酵工藝學原理》的學習，可系統掌握微生物發酵生產的基本原理和技術，為從事發酵行業和進行發酵新工藝的開發研究打下良好的基礎。
《普通高等教育“十二五”規劃教材：微生物發酵工藝學原理》可作為理工科生物工程、生物技術、食品、生物製藥、生物化工及相關專業的教科書，也可供從事生物產業的相關技術人員及相關專業的研究生參考。

《普通高等教育"十二五"規劃教材:微生物發酵工藝學原理》可作為理工科生物工程、生物技術、食品、生物制藥、生物化工及相關專業的教科書，也可供從事生物產業的相關技術人員及相關專業的研究生參考。

微生物發酵工藝學原理是凝練微生物發酵產品生產過程的基本原理、基本方法、科學分析和優化生產工藝與實踐的綜合應用科學，是生物工程的重要組成部分。生物產業是21世紀發達國家優先發展的支柱產業。2007年4月8日，國家發改委頒布了《生物產業發展“十一五”規劃》，首次將生物產業作為國民經濟的戰略性產業進行了總體部署，對我國生物工程技術的發展起到了積極的推動作用。2012年國家發改委又推出了《生物產業“十二五”規劃》，預計到2015年，全國生物產業產值將超過4萬億元，2020年將達到10萬億元以上。而生物產業中的生物醫藥、生物能源、生物環保、生物製造等絕大部分都是以微生物發酵技術為手段。目前，很多微生物發酵技術成果被廣泛應用於工農業生產和醫藥衛生等各個領域。另外，對於一些環境污染的治理和新的活性物質的開發，採用微生物發酵方法是最簡捷而有效的方法之一。因此可以說，微生物發酵技術是一門21世紀最具發展潛力的理論與應用的學科。
近年來，隨著我國生物人才需求的不斷擴大，許多高校相繼開設了生物工程、生物製藥、食品生物技術、生物化工或與之相近的專業。微生物發酵工藝學原理是這些專業的主幹課程，食品工程等其他一些專業也都融人了大量的發酵工程技術的內容，甚至一些管理學科也把微生物發酵技術設為選修課。但現有的發酵技術教材還相對較少，有的篇幅較大，缺乏針對性；有的是缺乏新的發酵技術內容和實用性，學生學習掌握起來比較困難。鑑於這種情況，我們組織有關高校從事微生物發酵工藝教學的教師編寫了這本《微生物發酵工藝學原理》，以使學生能更好地掌握微生物發酵工藝的基本理論和實踐應用；克服類似教材的大而全、與其他課程交叉重複太多的弊端，力求簡潔明了，便於自學，為生物工程類學生畢業後從事生物製藥、食品發酵及相關生物產業工作打下堅實基礎。
參加本書編寫的教師都有多年從事生產實踐和教學科研的經歷，有著豐富的理論基礎和實踐經驗。本書內容特別注重理論與實踐的結合，並吸納了現代生物工程的有關理論和應用實例，既可以作為一般理工科院校的教材，也可供從事生物產業的技術人員研發參考。
本書共十章，第一、二章由韓德權編寫；第四、八章由王莘、姜雲、董浩編寫；第三、六章由趙輝編寫；第七、九章由孫玉梅編寫；第五章由李沖偉、韓德權編寫；第十章由賈樹彪、韓德權編寫。全書由韓德權統稿，由賈樹彪教授主審。
本書在編寫過程中得到了黑龍江大學、吉林農業大學、大連工業大學等有關單位的領導和部門的大力支持，本教材為黑龍江大學十二五重點支持計劃項目，在此一併表示衷心的感謝。
鑑於作者水平有限和時間倉促，書中存在的錯誤和不當之處，衷心歡迎廣大讀者給予批評指正。

第一章緒論
第一節微生物發酵的基本概念
一、微生物發酵的含義
二、微生物工業發酵的基本過程及產物類型
第二節微生物發酵技術的發展歷史
一、對發酵本質的認識過程
二、微生物發酵技術發展的不同階段
第三節微生物發酵的產品種類
第四節微生物發酵的特徵與發酵方式
一、微生物發酵的特徵
二、微生物發酵方式
第五節我國微生物發酵工業的現狀和今後發展趨向
一、我國微生物發酵工業的現狀
二、我國微生物發酵工業的發展趨勢
思考題

第二章發酵代謝調控的基本原理與方法
第一節概述
第二節微生物細胞的代謝調節機制
一、微生物初級代謝產物調節機制
二、微生物細胞的次級代謝調節機制
第三節微生物發酵代謝控制的基本方法
一、遺傳學方法
二、生物化學方法
第四節微生物發酵動力學
一、微生物發酵動力學分類
二、發酵方法
三、分批培養發酵動力學
四、連續培養
思考題

第三章工業微生物的育種與種子製備
第一節生產用微生物的分離
一、生物樣品的採集
二、樣品中微生物的富集培養
三、分離純化
四、利用菌體性質進行初步篩選
第二節工業微生物的保藏
一、菌種保藏概述
二、世界主要菌物菌種保藏機構
三、工業微生物菌種的保藏方法
四、菌種退化的防止
第三節工業微生物育種
一、誘變育種的篩選方法及策略
二、微生物誘變育種
三、原生質體融合育種
四、基因工程育種
第四節生產用種子製備
一、基本概念
二、菌種擴大培養的目的及作為種子的準則
三、種子的製備過程
四、種子質量的控制
五、種子染菌的原因以及預防
思考題

第四章工業生產用培養基
第一節概述
一、培養基的組成
二、培養基質量的影響因素
三、常見問題及其處理手段
第二節培養基的成分
一、碳源物質
二、氮源物質
三、生長因子
四、無機鹽及微量元素
五、前體
六、促進劑和抑制劑
七、水分
第三節培養基的種類與選擇
一、培養基的種類
二、培養基的設計
三、澱粉水解糖的製備
思考題

第五章發酵工程中的滅菌操作
第一節滅菌常見方法
一、化學滅菌
二、射線滅菌
三、幹熱滅菌
四、濕熱滅菌
五、過濾除菌
第二節培養基與發酵設備的滅菌
一、濕熱滅菌的基本原理
二、培養基的滅菌
三、發酵設備的滅菌
第三節空氣的除菌
一、發酵使用的淨化空氣標準
二、空氣淨化的方法
三、過濾除菌的介質材料
四、空氣淨化的一般工藝流程
五、幾種較典型空氣淨化流程介紹
六、無菌空氣的檢查
思考題

第六章發酵設備簡介
第一節機械攪拌通風發酵罐的結構
一、罐體
二、攪拌器和擋板
三、空氣分佈器
四、消泡裝置
第二節機械攪拌通風發酵罐的基本參數
第三節其他各種微生物發酵設備
一、塔型發酵罐
二、氣升式發酵罐
三、自吸式發酵罐
四、通風固相發酵設備
五、厭氧發酵設備
思考題

第七章發酵過程優化和工藝控制
第一節概述
第二節發酵參數的測定和生物傳感器
一、發酵參數的測定
二、對用於發酵過程檢測的傳感器要求
三、生物傳感器的類型和結構原理
第三節溫度對發酵的影響及其控制
一、溫度對發酵的影響
二、影響發酵溫度變化的因素
三、溫度的控制
第四節pH值對發酵的影響及其控制
一、pH值對發酵的影響
二、發酵過程pH值的變化
三、發酵pH值的確定和控制
第五節溶解氧對發酵的影響及其控制
一、溶解氧對發酵的影響
二、發酵過程中溶解氧的變化
三、溶解氧濃度的控制
第六節CO2對發酵的影響及其控制
一、CO2對發酵的影響
二、CO2濃度的控制
三、發酵罐內氧氣和二氧化碳分壓的測量
第七節泡沫對發酵的影響及其控制
一、泡沫的形成及其對發酵的影響
二、泡沫的消除
第八節菌體濃度對發酵的影響及其控制
一、菌體濃度對發酵的影響
二、菌體濃度的控制
三、菌體濃度的檢測
第九節基質濃度對發酵的影響及其控制
一、基質濃度對發酵的影響
二、碳源對發酵的影響及控制
三、氮源的種類和濃度的影響和控制
四、磷酸鹽濃度的影響和控制
五、補料控制
六、發酵罐基質(葡萄糖等）濃度的在線測量
第十節其他化學因子在線分析技術
一、HPLC在線測量物質濃度
二、引流分析與控制
第十一節發酵終點的判斷
一、經濟因素
二、產品質量因素
三、特殊因素
思考題

第八章通氣和攪拌
第一節概述
第二節發酵工程對氧的要求
一、微生物需氧量與呼吸代謝的關係
二、微生物的臨界溶解氧濃度
三、比生長速率、比耗氧速率與氧濃度的關係
第三節氧的供給
一、氧的溶解特性與影響微生物需氧因素
二、傳氧速率方程
第四節KLα的測定
一、亞硫酸鹽氧化法
二、極譜法
三、溶氧電極法
第五節發酵罐及各種因子對KLα的影響
一、攪拌
二、空氣流速
三、空氣分佈管形式和發酵罐結構
四、氧分壓
五、罐內醪液高度
六、罐容
七、發酵醪液性質
八、溫度
九、有機物質和表面活性劑
十、離子強度
十一、氧載體
思考題

第九章發酵產物的常用提取分離方法
第一節概述
一、提取與精製過程的一般工藝流程
二、發酵產物提取精製工藝設計原則
第二節發酵液的初步分離
一、改善發酵液的過濾特性
二、去除發酵液中的雜蛋白
三、去除發酵液中的高價無機離子
第三節沉澱技術
一、鹽析法
二、有機溶劑沉澱法
三、等電點沉澱法
四、選擇性變性沉澱
五、生成鹽類複合物的沉澱
六、親和沉澱
第四節過濾與膜分離技術
一、一般過濾設備的選擇
二、膜分離技術
第五節離心分離技術
一、離心分離因數和沉降速度
二、離心機的選擇
第六節菌體的破碎
一、珠磨法
二、高速勻漿法
三、超聲破碎法
四、酶溶法
五、化學滲透法
六、微波加熱法
七、其他方法
第七節吸附分離技術
一、吸附的類型
二、常用吸附劑
第八節萃取分離技術
一、溶劑萃取
二、雙水相萃取
三、超臨界流體萃取
第九節結晶分離技術
一、結晶的基本過程
二、影響結晶過程的因素
第十節乾燥
思考題

第十章發酵產品生產簡介
第一節氨基酸發酵
一、概述
二、谷氨酸發酵
三、賴氨酸發酵
第二節有機酸發酵
一、概述
二、檸檬酸發酵
三、乳酸發酵
第三節核苷類物質發酵
一、鳥苷和肌苷發酵的機理
二、鳥苷發酵
三、肌苷發酵
第四節抗生素發酵
一、抗生素的分類
二、青黴素的結構和性質
三、青黴素發酵
第五節酒精發酵
一、酒精發酵機理
二、發酵法生產酒精及其工藝流程
第六節其他產品發酵
一、酶製劑
二、甾體激素的微生物轉化發酵
三、微生物多糖發酵
四、甘油發酵
五、丙酮丁醇發酵
六、維生素發酵
思考題
參考文獻

（1）采風塔空氣中的微生物通常不單獨游離存在，一般附著在塵埃和霧沫上。提高壓縮前空氣的潔凈度的主要措施是提高空氣吸氣口的位置和加強吸入空氣的前過濾。一般認為，高度每上升lOm，空氣中的微生物量下降一個數量級，因此，空氣吸入口一般都選在比較潔凈處，并盡量提高吸人口的高度，以減少吸入空氣的塵埃含量和微生物含量。在工廠空氣吸人口安裝位置選擇時，應選擇在當地的上風口地點，并遠離塵埃集中處，高度一般在10m左右，設計流速8m／s。可建在空壓機房的屋頂上。
（2）粗過濾 吸入的空氣在進入壓縮機前先通過粗過濾器過濾（或前置高效過濾器），可以保護空氣壓縮機，延長空氣壓縮機的使用壽命，濾去空氣中顆粒較大的塵埃，減少進入空氣壓縮機的灰塵和微生物含量及壓縮機的磨損，并減輕主過濾器的負荷，提高除菌空氣的質量。對于這種前置過濾器，要求過濾效率高，阻力小，容灰量大，否則會增加壓縮機的吸人負荷和降低壓縮機的排氣量。通常采用布袋過濾器、填料過濾器、油浴洗滌和水霧除塵裝置等，流速0.1～0.5m／s。
采用布袋過濾結構最簡單，只要將濾布縫制成與骨架相同形狀的布袋，緊套于焊在進氣管的骨架上，并縫緊所有會造成短路的空隙。其過濾效率和阻力損失要視所選用的濾布結構情況和過濾面積而定。布質結實細致，則過濾效率高，但阻力大。最好采用毛質絨布效果較好，現多采用合成纖維濾布。氣流速度越大，則阻力越大，且過濾效率也低。一般要求空氣流速在2～2.5m3／（m2·min）。濾布要定期換洗，以減少阻力損失和提高過濾效率。
填料式粗過濾器一般用油浸鐵回絲、玻璃纖維或其他合成纖維等作填料，過濾效果比布袋過濾稍好，阻力損失也較小，但結構較復雜，占地面積也較大，內部填料經常洗換才能保持一定的過濾作用，操作比較麻煩。
油浴洗滌裝置是在空氣進入裝置后要通過油箱中的油層洗滌，空氣中的微粒被油黏附而逐漸沉降于油箱底部被除去，經過油浴的空氣因帶有油霧，需要經過百葉窗式的圓盤分離較大粒油霧，再經過濾網分離小顆粒油霧后，由中心管吸人壓縮機。這種洗滌器效果比較好，若有分離不徹底的油霧進入壓縮機時也無影響，阻力也不大，但耗油量大。
水霧除塵裝置是空氣從設備底部進入，經上部噴下的水霧洗滌，將空氣中的灰塵、微生物微粒黏附沉降，從底部排出。帶有微細小水霧的潔凈空氣經上部過濾網過濾后排出，進入壓縮機經洗滌后的空氣可除去大部分的微粒和小部分微小粒子，一般對0.5μm粒子的過濾效率為50％～70％，對1.0μm粒子的除去效率為55％～88％，對5μm以上粒子的除去效率為90％～99％。洗滌室內空氣流速不能太大，一般在1～2m／s的范圍，否則帶出水霧太多，會影響壓縮機工作，降低排氣量。
（3）空氣壓縮 為了克服輸送過程中過濾介質等的阻力，吸入的空氣必須經空壓機壓縮，目前常用的空壓機有渦輪式壓縮機、往復式壓縮機和螺桿式壓縮機等。空氣經壓縮后，溫度會顯著上升，壓縮比愈高，溫度也愈高。由于空氣的壓縮過程可看作是絕熱過程，故壓縮后的空氣溫度與被壓縮后的壓力的關系符合壓縮多變公式。
渦輪式壓縮機一般由電機直接帶動渦輪，靠渦輪高速旋轉時所產生的“空穴”現象吸入空氣，并使空氣獲得高速離心力，再通過固定的導輪和渦輪形成機殼，使部分動能轉變為靜壓后輸出。渦輪式壓縮機的特點是輸氣量、輸出空氣壓力穩定，效率高，設備緊湊，占地面積小，輸出的空氣不帶油霧等。在選擇渦輪式壓縮機時應選擇出口壓力較低但能滿足工藝要求的型號，這樣可以節省動力消耗。