國家精品課程教材：發酵工程原理與技術

第一章 緒論
第一節 發酵工程發展史和相關學科
一、發酵工程的定義
二、發酵工程發展史及相關學科
第二節 發酵工程類型與發酵過程特點
一、發酵工程類型
二、發酵過程特點
第三節 發酵工藝過程和關鍵技術
一、發酵工藝過程
二、發酵工程關鍵技術
第四節 發酵工業產品和現狀
一、發酵工業產品
二、發酵工業現狀
第五節 發酵工程發展趨勢
一、技術領域的擴展趨勢
二、應用領域的擴展趨勢

第二章 微生物菌種製備原理與技術
第一節 發酵工業微生物菌種
一、概述
二、發酵工業常用微生物種類
三、發酵工業微生物的基本要求
四、菌種的製備原理與方法
五、適應性進化
六、菌種的保藏
第二節 發酵微生物生理學
一、概述
二、微生物的遺傳與繁殖
三、底物的吸收與轉運
四、微生物的代謝與調控
五、底物、中間產物、終產物與其他脅迫條件下的回應和耐受
第三節 微生物誘變育種
一、概述
二、誘變技術
三、誘變育種的篩選策略
四、代謝控制育種
五、高通量篩選技術
第四節 微生物原生質體育種與基因組改組育種
一、概述
二、微生物原生質體再生育種
三、微生物原生質體誘變育種
四、微生物原生質體轉化育種
五、微生物原生質體融合育種
六、基因組改組育種
第五節 發酵微生物的基因工程與代謝工程育種
一、概述
二、發酵微生物的基因工程育種
三、代謝工程育種
四、基因工程菌的發酵特性
五、基因工程菌的安全性
第六節 工業微生物的系統生物學與合成生物學
一、概述
二、組學技術及其在發酵工程中的應用
三、系統生物學技術和基於系統生物學的菌種改造
四、合成生物學及其在發酵工程中的應用

第三章 發酵培養基的製備與滅菌
第一節 發酵工業原料
一、發酵工業原料的種類及其組成
二、發酵工業原料的選擇原則
三、生物合成的前體物質、抑制劑、促進劑
四、原料預處理的目的
五、原料預處理的方法
第二節 發酵培養基的設計
一、發酵培養基設計的目的
二、發酵培養基設計的基本原則
三、發酵培養基設計的方法
四、發酵培養基的優化
第三節 澱粉質原料的加工方法與設備
一、澱粉水解的理論基礎
二、澱粉的液化方法與設備
三、澱粉的糖化方法與設備
四、不同發酵產品對澱粉質原料處理的要求
第四節 纖維質原料的加工方法
一、酸水解
二、酶水解
第五節 培養基及設備的滅菌
一、培養基滅菌的目的、要求和方法
二、濕熱滅菌的理論基礎
三、培養基滅菌的工程設計

第四章 無菌空氣的製備
第一節 無菌空氣製備的概述
一、空氣和無菌空氣
二、空氣除菌的方法
第二節 空氣介質過濾除菌的原理
一、捕集效率
二、空氣篩檢程式除菌機制
三、對數穿透定律
四、微濾
第三節 介質過濾製備無菌空氣的工藝和篩檢程式
一、介質過濾製備無菌空氣的工藝流程
二、介質過濾的空氣篩檢程式

第五章 培養條件、操作方式與發酵罐設計
第一節 培養條件對發酵過程的影響
一、培養基
二、溫度
三、pH
四、供氧對發酵過程的影響
五、代謝產物及其他
第二節 發酵動力學
一、發酵過程動力學分類
二、發酵過程中的品質和能量平衡
三、發酵過程動力學
第三節 發酵罐設備
一、反應器的分類
二、反應器的設計目標和原則
三、機械攪拌通風發酵罐
四、氣升式發酵罐
五、固態發酵罐

第六章 發酵過程優化與放大
第一節 概述
一、發酵過程優化的基本特徵
二、發酵過程優化的主要內容及步驟
第二節 微生物培養環境的優化
一、微生物的營養需求
二、微生物的環境條件
三、培養環境優化的正交試驗和回應面優化技術
第三節 基於發酵過程動力學模型的優化技術
一、基於動力學模型的發酵過程優化的基本特徵
二、基於動力學模型的發酵過程優化的一般步驟
第四節 分階段發酵優化技術
一、分階段優化技術的一般原理與步驟
二、溫度兩階段控制技術
三、pH兩階段控制技術
四、溶氧兩階段控制技術
第五節 基因工程菌的發酵優化
一、基因工程菌發酵過程存在的問題
二、基因工程菌發酵過程優化研究
三、高密度培養技術在基因工程菌發酵過程優化中的應用
第六節 發酵過程放大
一、發酵過程放大原理、原則與步驟
二、發酵過程放大方法
三、基於計算流體力學的發酵過程放大技術

第七章 發酵過程監測與控制
第一節 概述
一、發酵程序控制特性
二、發酵過程主要檢測參數
三、發酵過程常用感測器
第二節 發酵過程主要狀態參數的監測與控制
一、發酵過程中溫度的檢測與控制
二、發酵過程中pH的檢測與控制
三、發酵過程中溶氧的檢測與控制
四、發酵過程中泡沫的產生和消除
五、發酵過程中CO2的濃度和呼吸商的檢測
六、發酵過程中細胞濃度、產物濃度和底物濃度的檢測
第三節 發酵過程先進的控制技術
一、基於人工神經網路的發酵過程模式識別與控制
二、基於代謝網路模型的發酵過程線上控制
第四節 發酵染菌及其防治技術
一、染菌對發酵的影響
二、發酵染菌的分析
三、雜菌污染的途徑和防治
四、故障診斷技術
第五節 發酵過程的電腦介面技術
一、發酵過程的電腦控制原理
二、發酵過程的電腦控制功能分析
三、集散控制系統及介面技術

第八章 發酵液預處理及發酵產物提取與精製
第一節 概論
一、下游加工過程在發酵工程中的地位
二、發酵下游加工過程的特點
三、分離過程的機理與分離操作
四、發酵工業下游技術的一般工藝過程
第二節 發酵液的預處理和固液分離
一、發酵液的預處理目的和要求
二、發酵液固液分離技術與設備
三、微生物細胞的破碎
第三節 沉澱技術
一、沉澱的原理與目的
二、沉澱方法種類及要求
三、沉澱技術應用
第四節 吸附技術
一、吸附法的原理與目的
二、吸附法的優缺點
三、吸附劑的基本要求和種類
四、吸附基本理論及影響吸附過程的因素
第五節 色譜技術
一、概述
二、色譜法基本原理
第六節 膜分離技術
一、膜分離方法的分類
二、表徵膜性能的參數
三、膜分離設備
四、膜分離過程的操作特性和影響因素
五、膜分離過程在發酵工業中的應用
參考文獻

發酵工程是一個由多學科交叉、融合而形成的技術性和應用性較強的開放性學科。發酵工程作為現代生物技術產業化的支撐技術體系與分子生物學、微生物基因組學、蛋白質組學、生物資訊學、系統生物學、生物催化工程和人工智慧控制學等多種前沿學科密切交融，上述學科的發展拓寬了發酵工程學的研究領域，發酵工程成為解決人類面臨的能源、資源和環境等持續性發展課題的關鍵技術。

發酵工業在國民經濟中佔有較高的比重，量大面廣，直接關係著國計民生。具有國際上工業發酵產業中的所有主要產業，就其規模而言，某些產業(如谷氨酸、檸檬酸、維生素C等)在世界上佔有舉足輕重的地位，但是，技術水準與發達國家相比有較大差距，主要體現在生產菌種水準較低,發酵工藝、分離精製方法和生產裝置落後，致使某些發酵產品的原料和能源消耗大，生產成本高，污染嚴重。中國是一個發酵大國，但還不是發酵強國。加強發酵工程技術研究，從菌種的高通量篩選、原料的高效利用、發酵過程的全域優化與控制、目標產品的高效提取以及代謝廢物的分流處理與綜合利用等層面進行系統研究，對進一步提升的發酵工程技術水準具有重要的意義，也是作者撰寫此書的內在原動力。

作者撰寫此書，一方面得益於作者所工作的學院為國家發酵工程重點學科點，從1952年起開始積累的在發酵工程領域的教學和科研經驗，是作者從學生時代到留校工作一直能夠生存和生長的學術土壤，作者承擔的本科生課程“發酵工程原理與技術”2008年獲批為國家級精品課程，所領導的團隊獲“發酵工程課程國家級教學團隊”稱號；另一方面受助于作者所在研究室許多年輕的博士和碩士，他們和作者一起完成了多項省部級科研專案，包括863重點專案、國家傑出青年基金專案、國家自然科學基金重點專案等，而正是這些科研專案為本書提供了實踐性強的解說案例。

本教材理論體系全面，緊緊圍繞發酵工程上、中、下游技術而展開。內容包括微生物的篩選育種、發酵原料的預處理、無菌空氣的製備、發酵過程動力學、發酵過程優化與控制、發酵過程的放大原理與技術、發酵產物的提取與精製等。

與國內外同類教材相比，本書突出微生物發酵工程案例的介紹與分析，針對案例背景及問題的提出，對存在問題、解決問題的思路、目標的實現等內容進行展開，注重分析和啟示，不拘泥於具體的操作方法及技術參數，引導學生全面而靈活地掌握發酵工程的基礎理論和實用技術。作為國家級精品課程教材，本書不僅配套出版發酵工程實驗課程教材，同時，理論課程課件也可以供使用本教材的單位免費參考使用。因此，本書不僅具有較強的理論指導意義，同時亦具有很強的實踐價值。

本書編寫分工如下：第一章，張東旭、陳堅；第二章，周景文、吳敬；第三、四章，張梁、石貴陽；第五章，張娟、堵國成；第六章，劉龍、陳堅；第七章，劉龍、史仲平；第八章，張建華、毛忠貴。作者特別感謝中國工程院院士、江南大學生物工程學院倫世儀教授的鼓勵和指導，感謝所在研究室的博士、碩士研究生給予的幫助，感謝化學工業出版社的大力支持。

本書是一本適合生物工程專業本科生使用的教材，也適用於發酵工程、生物化工和生化工程等相關專業的研究生和科研人員參考。

儘管作者力圖在本書中注重結合理論性和實踐性、突出系統性和科學性、體現前沿性和創新性，但限於作者的學術功底、研究經驗和寫作能力，書中存有的疏漏和不妥之處，承蒙賜教，不勝感激!

編者
2012年1月