发酵工程工艺原理(田华)

本书共计9个章节，主要内容涉及发酵工业用菌种的选育和扩大培养技术；发酵工业生产培养基的制备原理和方法、灭菌的工艺流程及关键技术；菌体浓度和基质对发酵的影响，发酵过程温度、pH值、溶解氧、搅拌、CO2等参数的控制，发酵终点的判断；发酵过程染菌的检查和防治；典型厌氧发酵和好氧发酵的发酵机制、代谢控制、工艺流程、提取分离纯化技术方法和相应的设备。

本教材可作为综合性大学、师范类院校、农林院校生物工程专业、生物技术专业、食品科学与工程专业、生物制药专业及相关专业的本科生和研究生教材，可供从事发酵工程、食品科学与工程、生物化工和生化工程等相关领域的科研人员和教学工作者参考。

 

章绪论/1

节发酵1

一、“发酵”一词的来源1

二、发酵与发酵工程2

三、发酵工程与其他学科的关系2

第二节发酵工程工艺及关键技术3

一、发酵过程的特点3

二、发酵的类型4

三、发酵工艺过程4

四、发酵工程关键技术4

五、发酵工业的范围6

第三节发酵工程发展史6

一、自然发酵时期6

二、纯培养技术时期6

三、通气搅拌的好氧性发酵工程技术时期6

四、人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术时期7

五、发酵动力学和连续化、自动化发酵工程技术时期7

六、微生物酶反应合成与化学合成相结合的工程技术时期7

第四节发酵工程技术发展趋势8

一、发酵工程技术产业化的关键因素8

二、发酵工业发展趋势8

第二章菌种与种子扩大培养/11

节微生物工业用菌种11

一、工业微生物的特点11

二、发酵工业对菌种的要求11

三、工业生产常用的微生物菌种12

四、发酵工业菌种的选育13

五、生产菌种的保藏14

六、防止菌株衰退的措施14

第二节种子扩大培养15

一、种子扩大培养的目的与要求15

二、种子扩大培养的制备流程15

三、影响种子质量的主要因素18

四、种子质量的控制措施20

五、种子质量标准21

第三章发酵培养基的制备与灭菌/22

节发酵工业原料22

一、发酵工业原料选择的依据22

二、培养基的营养成分23

三、常用发酵原料的化学组成26

四、培养基的类型27

第二节发酵工业培养基的设计30

一、发酵培养基设计的目的30

二、发酵培养基设计的基本原则31

三、发酵培养基设计的方法32

四、发酵培养基的优化33

第三节发酵工业原料的预处理34

一、发酵工业原料的除杂34

二、发酵工业原料的运输35

三、发酵工业原料的粉碎38

第四节淀粉质原料的加工方法40

一、淀粉水解的理论基础40

二、淀粉的液化方法与设备41

三、淀粉的糖化方法与设备42

第五节糖蜜原料的预处理43

一、糖蜜的来源与特点43

二、糖蜜前处理的方法43

第六节培养基的分批灭菌和连续灭菌44

一、几个易混淆的概念44

二、灭菌的方法45

三、湿热灭菌的基本原理49

四、发酵工业培养基的灭菌49

第四章发酵过程控制/53

节发酵过程主要控制参数及检测53

一、发酵的相关参数53

二、发酵过程参数的检测54

三、发酵过程常用的传感器55

四、发酵过程优化控制实施的具体步骤55

第二节培养基和菌体浓度对发酵过程的影响55

一、培养基（基质）的基本成分56

二、碳源种类和浓度对发酵过程的影响和控制56

三、氮源种类和浓度对发酵过程的影响和控制57

四、磷酸盐的浓度对发酵过程的影响和控制57

五、菌体浓度对发酵过程的影响58

第三节温度的控制58

一、温度对发酵的影响59

二、影响发酵温度的因素60

三、适温度的选择与发酵温度的控制61

第四节pH值对发酵的影响及控制61

一、pH值对发酵的影响61

二、影响发酵pH值的因素62

三、适pH值的选择和控制62

第五节发酵供氧62

一、微生物对氧的需求63

二、溶解氧浓度的变化及其控制64

第六节二氧化碳对发酵的影响及控制65

一、CO2的来源及对发酵的影响65

二、CO2的控制65

第七节泡沫的影响及控制66

一、泡沫产生的原因66

二、泡沫的危害66

三、泡沫的消长规律66

四、泡沫的消除和防止67

第八节发酵终点的判断68

一、影响放罐时间的因素69

二、发酵终点判断的依据69

第九节发酵过程的建模、优化控制与故障诊断70

一、数据驱动方法在发酵过程中的推广与应用70

二、发酵过程数学建模方法71

三、发酵过程优化控制技术72

四、发酵过程故障诊断技术74

第五章空气除菌/77

一、空气除菌的意义77

二、空气除菌的方法78

三、空气介质过滤除菌的原理79

四、介质过滤的空气过滤器80

五、空气预处理81

六、介质过滤制备无菌空气的工艺流程82

第六章工业发酵染菌及其防治/86

节染菌对发酵的影响86

一、染菌对不同发酵过程的影响86

二、染菌发生的不同时间对发酵的影响87

三、染菌程度对发酵的影响87

四、染菌对产物提取和产品质量的影响88

第二节发酵染菌的判断及原因分析88

一、种子培养和发酵的异常现象88

二、染菌的检查和判断89

三、发酵染菌率和染菌原因分析91

第三节杂菌污染的途径和防治92

一、种子带菌及其防治92

二、空气带菌及其防治93

三、操作失误导致的染菌及其防治93

四、培养基和设备灭菌不彻底导致的染菌及其防治93

五、设备渗漏造成的染菌及其防治95

第四节噬菌体的污染与防治96

一、噬菌体对发酵的影响96

二、产生噬菌体污染的原因96

三、噬菌体污染的检测96

四、噬菌体污染的防治措施97

第五节发酵染菌的挽救与处理98

一、种子培养期染菌的处理98

二、发酵前期染菌的处理98

三、发酵中、后期染菌的处理98

四、染菌后对设备的处理98

第七章常用的发酵设备/99

节通风液体发酵设备99

一、机械搅拌通风发酵罐99

二、气升环流式发酵罐103

三、自吸式发酵罐104

第二节通风固体发酵设备105

一、自然通风固体发酵设备105

二、机械通风固体发酵设备105

第三节厌氧发酵设备106

一、乙醇发酵设备106

二、啤酒发酵设备107

第八章发酵机制及发酵工艺/109

节酒精发酵109

一、酒精发酵机制110

二、酒精发酵菌种111

三、酒精酵母的生长繁殖与发酵111

四、酒精发酵工艺112

五、燃料酒精的生产114

第二节啤酒发酵115

一、啤酒酿造原料115

二、麦芽制备117

三、麦汁制备118

四、啤酒酵母120

五、啤酒发酵121

六、啤酒主要风味物质的形成122

七、啤酒的成分123

八、啤酒的质量指标124

第三节葡萄酒发酵工艺125

一、葡萄酒的类型125

二、葡萄酒的酿造原料125

三、葡萄汁的制备126

四、葡萄酒的发酵机制127

五、葡萄酒的酿造工艺130

六、葡萄酒的贮存及陈酿133

七、葡萄酒的质量指标135

第四节酱油酿造工艺136

一、酱油分类及生产原料136

二、酱油中的主要化学成分138

三、酱油酿造中主要微生物及生化机制139

四、酱油生产工艺142

第五节食醋酿造工艺144

一、食醋分类及酿造原料145

二、酿造食醋的主要微生物及糖化发酵剂147

三、食醋酿造基本原理149

四、食醋酿造工艺151

五、典型酿造食醋生产案例154

第六节柠檬酸的发酵158

一、黑曲霉的柠檬酸发酵机制159

二、柠檬酸的发酵163

第七节谷氨酸的发酵165

一、谷氨酸的生物合成途径及调节机制165

二、谷氨酸生产菌菌种选育模型166

三、谷氨酸发酵167

第八节青霉素的发酵170

一、青霉素生产菌种170

二、青霉素的生物合成机理172

三、发酵培养基组成174

四、发酵条件控制174

五、青霉素分离和纯化176

第九章发酵产物的提取与精制概述/178

节微生物工程下游加工工程的特点178

第二节发酵产物的提取与精制概述179

一、发酵产物分类179

二、发酵产物提取的一般程序179

第三节发酵液预处理181

一、微生物发酵液的一般特征181

二、发酵液过滤特性的改变181

三、发酵液的相对纯化183

四、固液分离184

第四节微生物细胞破碎184

一、微生物细胞壁的组成185

二、细胞破碎技术186

三、细胞破碎率的测定189

四、微生物细胞破碎技术的发展方向189

参考文献/191

 

发酵工程是生物工程的重要组成部分，是利用微生物为大规模工业生产服务的一门工程技术，是生物工程产业化的核心环节，不仅在生物技术产业的发展中起举足轻重的作用，也成为支撑医药、食品等生物技术交叉行业的重要技术来源。现代发酵工程在传统发酵工业的基础上，融入了分子生物学、生物信息学、系统生物学以及基因工程、细胞工程、代谢工程等新理论和新技术，结合现代生物过程控制及生物分离工程技术的巨大进步，使现代发酵工业的产品种类和生产水平大大提高，发酵工程已成为解决人类面临的能源、资源和环境等持续性发展课题的关键技术，显示出强大的生命力。

对于师范类高校，特别是地方师范类高校，生物制药、生物技术、食品科学与工程等专业的教学既需要完善的发酵原理基础知识，又需要极具时代特色的发酵工艺典型案例。所以，集聚“先进性、实用性、系统性、可操作性”和“少而精，宽基础”等特点的发酵工程教材就显得非常缺乏。基于此种需求，笔者积十余年教学科研之心得，结合师范大学的特色和自身的长期科研实践及该领域国内外科研的前沿知识，精心筛选教学内容，科学设计课程体系，力求使编写的教材具备较高的科学性、系统性、前沿性，体现专业发展的鲜明时代性，反映发酵工业的进展和应用技术。

本教材编写宗旨是让学生系统性地掌握发酵产品的生产原理和工艺流程，熟悉现代发酵工业的发展领域和重点方向，为生物技术、生物制药、食品科学与工程等相关专业学生今后从事与发酵工业相关的新产品、新工艺的研究和开发打下良好的理论基础和技能基础。在章节结构上，从发酵工程知识系统性、完整性、科学性出发，本教材紧紧围绕发酵产品的产业化生产技术流程来安排各章节的内容，突出代谢调控机制和完整的工艺设备流程，力求提供系统完整的发酵工程知识。在内容设计上，按发酵工艺涉及的共性理论由上游、中游到下游技术有序开展，基于好氧发酵和厌氧发酵、初级代谢和次级代谢视角筛选典型发酵产品，弱化理论推导，强化能力培养。在重点知识上，引入发酵工程典型案例，注重分析与启示，引导学生全面灵活地掌握发酵工程的基础理论和实用技术。因此，本教材的创新和特色之处在于既注重发酵工程基础理论，又体现学科发展的前沿动态，注重发酵理论与应用紧密结合与联系，注重实用性、删繁就简，尽量避免过多的理论分析和复杂的数学运算，从学生易于接受的心理学视角，引导学生的学习兴趣，重点培养学生的实际应用能力，形成有“多模块、多层次、多接口”特色的教学，能满足食品科学与工程、生物技术、生物制药等不同专业的教材需求。

总体上看，本教材可作为综合性大学、师范类院校、农林院校生物工程专业、生物技术专业、食品科学与工程专业、生物制药专业及相关专业的本科生和研究生的教材，可供从事发酵工程、食品科学与工程、生物化工和生化工程等相关领域的科研人员和教学工作者参考。

由于编著者时间和编写水平所限，本书一定存在诸多不足之处，恳请读者提出宝贵意见，以便今后进一步修正提高。

编著者

2018年6月