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| 內容簡介： |
本书主要介绍了工业发酵从原料到最终产品获得的整个过程涉及的工艺和设备相关知识，包括厌氧发酵和好氧发酵、氧传递工程理论、空气净化工程理论、灭菌工程理论、噬菌体防治理论以及发酵产品分离提纯的原理和单元操作等。本书符合应用型专业人才培养目标及课程教学的要求，注重实用性，为学生将来长期从事生物、食品、酿酒、能源等领域的技术与研究工作奠定良好的基础。
本书适合生物工程、生物技术、食品科学与工程、酿酒工程等专业的本科师生使用，也可供相关专业的研究生及企业技术人员参考。
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| 關於作者： |
孙美玲
湖北大学教授，硕导，研究方向为食品科学与工程，长期从事食品营养与健康的产品开发与成果转化，承担《微生物学》《发酵工艺与设备》等课程教学。近五年主持并完成厅（局）级科研项目27项，指导学生完成大学生创新创业训练项目8项。公开发表论文42篇，申请发明专利8项，编著出版高校教材6套（主编2套）。获长城食品安全科学技术国家二等奖1项；获第八届中国膳食纤维产业大会科技创新二等奖1项；获FFC2022中国功能性食品大会科技创新奖1项等。
指导学生获第五届全国大学生生命科学创新创业大赛创业组二等奖1项；参加“全国大学生挑战杯”创业组湖北赛区银奖3项，创新组湖北赛区铜奖3项；参加中华职业教育创新创业大赛获应用本科组铜奖2项；参加湖北省大学生生物技能竞赛获微生物学单项二等奖1项；指导学生毕业论文多次获省级优秀学士学位论文等。
现为湖北大学知行学院学术委员会主任，湖北省“食品生物技术”优秀教学团队负责人，湖北省精品资源共享课、湖北省一流本科课程《发酵工艺与设备》负责人。个人获“2020年度在江岸区有影响的高水平人才”“2022年度江岸区最美科技工作者”等称号。
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| 目錄：
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第1章 绪论
第1节 发酵工程概述
第二节 发酵工业的内容及特点
第三节 发酵工程的应用领域
第四节 发酵工程的发展趋势
第五节 发酵工程对人类社会发展的意义
思考题
参考文献
第二章 工业发酵菌种
第1节 发酵工业的常用微生物
第二节 发酵工业菌种的分离筛选
第三节 发酵工业菌种选育
第四节 发酵工业菌种的扩大培养及保藏
思考题
参考文献
第三章 工业发酵培养基
第1节 工业发酵培养基的基本要求
第二节 工业发酵培养基的成分及来源
第三节 微生物的培养基类型
第四节 发酵培养基的设计原理与优化方法
思考题
参考文献
第四章 灭菌与除菌工艺及设备
第1节 发酵生产中有害微生物的控制
第二节 培养基灭菌
第三节 无菌空气制备
第四节 设备与管道的清洗与灭菌
思考题
参考文献
第五章 厌氧发酵工艺及设备
第1节 厌氧发酵产物的合成机制
第二节 厌氧发酵的工艺控制
第三节 厌氧发酵设备
第四节 厌氧发酵工艺实例
思考题
参考文献
第六章 好氧发酵工艺及设备
第1节 好氧发酵产物的合成机制
第二节 发酵过程的工艺控制
第三节 机械搅拌通风发酵罐 (通用式发酵罐)
第四节 其他液态通风发酵罐
第五节 固态通风发酵设备
第六节 好氧发酵工艺实例
思考题
参考文献
第七章 工业发酵的染菌与防治
第1节 染菌的检查及原因分析
第二节 染菌对不同发酵过程的影响
第三节 染菌发生的不同时间对发酵的影响
第四节 发酵异常现象及原因分析
第五节 杂菌污染的预防
第六节 染菌的挽救和处理
第七节 噬菌体污染及其防治
思考题
参考文献
第八章 发酵动力学
第1节 发酵过程的定量描述方法
第二节 微生物细胞生长动力学模型
思考题
参考文献
第九章 发酵产物的提取与精制
第1节 发酵产物分离的特点与过程设计
第二节 发酵产物分离单元操作原理及设备
思考题
参考文献
第十章 发酵工业清洁生产技术
第1节 概述
第二节 清洁生产与可持续发展
第三节 发酵工业清洁生产的重要性
第四节 实施清洁生产的过程及途径
第五节 发酵行业清洁生产工艺技术
第六节 发酵工厂清洁生产的实例
思考题
参考文献
第十一章 发酵经济学
第1节 概述
第二节 影响发酵产品成本的主要因素
第三节 发酵过程的经济学评价
思考题
参考文献
第十二章 发酵工业与环境保护
第1节 概述
第二节 发酵工业 “三废” 处理
第三节 发酵工业废水废渣处理的方法
第四节 废弃资源综合利用的实例
思考题
参考文献
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| 內容試閱：
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序
《发酵工艺与设备》 教材内容包含基本工艺、 单元操作设备、 生物反应原理等知识点， 侧重培养服务于地方经济、 从事发酵行业的工程应用型人才。 课程教学目的是使学生掌握微生物选育和扩大培养的基本原理和技术、 基因工程菌构 建的初步原理、 微生物工业培养基优选的基本原理和方法、 生物反应器参数控制的基本原 理和工艺控制等内容， 使其对生物学科领域的知识融会贯通， 为学生将来长期从事生物、 食品、 酿酒、 能源等领域的技术与研究工作奠定良好的基础。 本教材是在吸纳了前人编写的相关教材优点的基础结合参编人员长期的实践教学 经验编撰而成。 在编写过程中， 编者更加注重教材的整体性和系统性， 力求体现教材的实 用性和针对性。 在发酵工艺方面， 编者对发酵产品进行了归类叙述， 并突出了对各种发酵 产品的种类、 发酵原理、 发酵工艺和操作要点等的描述; 在发酵设备方面， 编者系统地对 厌氧发酵和好氧发酵等设备进行了阐述， 并通过大量的图表突出了对设备结构、 功能与工 作原理的介绍。 同时， 本教材还吸纳了国内外工业发酵研究的新知识、 新成果、 新技术和 新概念。 总体上讲， 本教材内容符合应用型专业人才培养目标及课程教学的要求， 章节层次合 理， 理论深度适宜， 知识系统完整， 对学生富有启发性， 有利于激发学生的学习兴趣， 全 面培养学生的知识、 能力和素质。 教材内容通俗易懂， 具有一定的深度和广度， 适合生物 工程、 生物技术、 食品科学与工程、 酿酒工程等专业作为教材使用， 也可供相关专业的研 究生及企业技术人员参考， 是一本值得推荐的好教材。
武汉大学 谢志雄 2022 年 3 月
前 言
现代生物技术或生物工程的产物要实现工业化生产， 都要借助发酵工程技术。 发酵工 程涉及生物工业的许多领域， 例如， 有机酸产业、 酶制剂产业、 氨基酸产业、 生物制药和 传统酿造等产业。 优异的产品性能离不开好的工艺， 较低的生产成本更离不开好的设备， 所以工艺和设备是密不可分的。 学生在学某一单元工艺内容时， 若不能及时地了解该单 元所使用的相应设备及其操作原理， 在一定程度上会造成 “工艺” 与 “设备” 知识脱节。 对没有工厂经历和经验的在校学生来说， 对一些设备的结构和工作原理的理解也存在较大 困难。 本书特点是把发酵工艺与设备两方面的内容结合起来， 在内容编排上侧重于发酵机 理、 代谢控制、 生产设备等有关理论的论述。 学生可学习到工业发酵的研究对象， 包括从 原料到最终产品获得的整个过程， 包括厌氧发酵和好氧发酵， 氧传递工程理论， 空气净化 工程理论， 灭菌工程理论， 噬菌体防治理论， 以及发酵产品分离提纯的原理和单元操作等 内容。 在章节编排上突出完整的工艺设备流程， 注重实用性， 删繁就简， 尽量避免过多的 理论分析及复杂的数学运算， 重点培养学生的实际应用能力， 锻炼学生从工程的角度去考 虑技术问题， 逐步实现由学生向工程师的转变。 本书编写分工如下: 第一章由刘齐、 左祥莉编写， 第二章由孙美玲、 姚小飞编写， 第 三章由刘静、 刘张虎编写， 第四章由孙美玲、 孙同清编写， 第五章由刘齐、 杨登想编写， 第六章由孙美玲、 吴华清编写， 第七章由黄朝汤、 蒋立文编写， 第八章由孙美玲、 文尚瑜 编写， 第九章由孙美玲、 左祥莉编写， 第十章由吴华清、 孙美玲编写， 第十一章由刘张 虎、 刘静编写， 第十二章由孙美玲、 谢爱娣编写， 全书由孙美玲主编， 并负责统稿。 湖北 大学知行学院吴杰雄、 谭陈鹏、 张雯、 黄迪威等参与了本书的审校工作， 特此致谢。 由于编写的水平有限， 书中难免存在不妥与疏漏之处， 敬请各位专家、 同仁及读者不 吝赐教， 以便修订完善。
孙美玲 2022 年 3 月于武汉
第六章 好氧发酵工艺及设备
学习目标：
1. 掌握机械搅拌通风发酵罐的结构及几何尺寸、 体积与热量传递的计算， 气升式反应器的特点， 机械搅拌自吸式发酵罐， 机械通风固体曲发酵设备。
2. 熟悉机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质， 搅拌与流变特性， 气升环流式发酵罐的主要结构及操作参数， 自吸式发酵罐的特点， 喷射自吸式发酵罐， 压力脉动固态发 酵罐。
3. 了解自然通风固体曲发酵设备。
通风发酵罐为好氧发酵罐， 应具有良好传质和传热性能， 结构严密， 防杂菌污染， 培 养基流动与混合良好， 良好的检测与控制， 设备较简单， 方便维护检修， 能耗低等特点。 常用的通风发酵罐有机械搅拌式、 气升式和自吸式等， 其中机械搅拌通风发酵罐应用最为 广泛。
第一节 好氧发酵产物的合成机制
一、 微生物的基本代谢及产物
微生物的新陈代谢途径错综复杂， 代谢产物多种多样。 按照代谢活动与生长繁殖的关系， 人们习惯将微生物的代谢分为初级代谢和次级代谢。
(一) 初级代谢及产物
细胞主要由 C、 H、 O、 N、 S 和 P 六种元素组成， 另外细胞还需用于维持酶活性和体 内平衡所需的微量元素 (如 Fe、 Zn、 Mo 等) 。 细胞的组成分子主要是核酸、 蛋白质、 多 糖、 脂质等生物大分子， 它们源 自 一 些 低 相 对 分 子 质 量 的 前 体 ( 核 苷 酸、 氨 基 酸、 单 糖、 磷脂等) 。 除这些生物大分子和前体外， 细胞的生长还需要约 20 种辅酶和电子载 体。 微生物通过各种代谢途径提供细胞生命活动所需要的能量， 并利用各种原料构建其 细胞组分。 初级代谢是与生物的生长繁殖有密切关系的代谢活动， 在细胞生长繁殖期表现旺盛且 普遍存在于一切生物中。 营养物质的分解和细胞物质的合成构成了微生物初级代谢的两个主要方面。 在代谢过程中凡是能释放能量的物质 (包括营养和细胞物质) 的分解过程被称 为分解代谢; 吸收能量的物质的合成过程被称为合成代谢。 细胞的分解代谢可为微生物提 供能量、 还原力 (NADH、 FADH2 和 NADPH) 和小分子前体， 用于细胞物质的合成， 使 细胞得以生长和繁殖。 而合成代谢必须与分解代谢相偶联才能满足合成代谢所需的前体和 能量。 生长和产物合成所需的前体决定了细胞所需养分的种类和数量， 细胞生长速率也基本上和生物合成的净速率相等， 整个代谢过程呈现出复杂性和整体性。 初级代谢产物是初级代谢生成的产物， 如氨基酸、 蛋白质、 核苷酸、 核酸、 多糖、 脂 肪酸、 维生素等， 它们与微生物的生长繁殖有密切关系。 这些代谢产物往往是各种不同种 生物所共有的， 且受生长环境影响不大。 微生物的初级代谢产物不仅是菌体生长繁殖所必需的成分， 同样也是具有广泛应用前 景的化合物。 例如， 氨基酸、 核苷酸、 脂肪酸、 维生素、 蛋白质、 酶类、 多糖、 有机酸等 被分离精制成各种功能食品、 医药产品、 轻工产品、 生物制剂等。
(二) 次级代谢及产物
次级代谢是与生物的生长繁殖无直接关系的代谢活动， 是某些生物为了避免初级代谢 中间产物的过量积累或由于外界环境的胁迫而产生的一类有利于其生存的代谢活动。 例 如， 某些微生物为了竞争营养物质和生存空间， 分泌抗生素来抑制其他微生物的生长甚至 杀死它们。 次级代谢途径复杂多变， 很难进行分类总结。 次级代谢产物是次级代谢合成的产物， 如抗生素、 生物碱、 色素、 毒素等， 它们与微 生物的生长繁殖无直接关系， 这些代谢产物往往是特定物种在特定生长阶段产生的， 且受 生长环境影响很大。 目前， 就整体来说， 人们对于次级代谢产物的了解远远不及对初级代谢产物的了解那 样深入。 与初级代谢产物相比， 次级代谢产物种类繁多， 类型复杂。 迄今对次级代谢产物 的分类还没有统一的标准。 根据结构和生理活性的不同， 次级代谢产物可大致分为抗生 素、 生长刺激素、 维生素、 色素、 毒素、 生物碱等不同类型。
1. 抗生素
抗生素是生物在其生命活动过程中产生的 (或在生物产物的基础上经化学或生物方法 衍生的) 在低微浓度下能选择性地抑制或影响其他种生物机能的化学物质。 抗生素是生物 合成或半合成的次级代谢产物， 相对分子质量不大。 微生物是抗生素的主要来源， 其中以 放线菌产生的最多， 真菌次之， 细菌又次之。 虽然目前人们对于抗生素对产生菌本身有无 生理作用还不是十分清楚， 但它能在细胞内积累或分泌到细胞外， 并能抑制其他种类微生 物的生长或杀死它们， 因而这类化合物常被用于防治人类、 动物的疾病与植物的病虫害， 是人类使用最多的一类抗菌药物。 目前医疗上广泛应用的抗生素有青霉素、 链霉素、 庆大 霉素、 金霉素、 土霉素、 制霉菌素等。
2. 生长刺激素
生长刺激素主要是由植物和某些细菌、 放线菌、 真菌等微生物合成， 并能刺激植物生长的一类生理活性物质。 例如， 赤霉素是农业上广泛应用的一种植物生长刺激素。 赤霉素 是某些植物、 真菌、 细菌分泌的特殊物质， 可取代光照和温度， 打破植物的休眠， 常被用 于促进植物迅速生长， 提早收获期， 增加产量。 许多霉菌、 放线菌和细菌也能产生类似赤 霉素的生长刺激素。 3. 维生素 在这里， 维生素是指某些微生物在特定条件下合成远远超过产生菌正常需要的那部分 维生素。 例如， 丙酸菌在培养过程中能积累维生素 B12 ， 某些细菌、 酵母菌能够产生大量 的核黄素。
4. 色素
色素是指微生物在代谢中合成的、 积累在胞内或分泌于胞外的各种呈色次级代谢产 物。 微生物王国是一个绚丽多彩的世界， 许多微生物都具有产生或释放色素物质的能力。 例如， 红酵母 (Rhodotorula) 能分泌出类胡萝卜素， 而使细胞呈现黄色或红色。 红曲霉 (Monascus) 产生的红曲素使菌体呈现紫红色。 微生物能产生种类繁多的天然色素， 通过 微生物生产色素是一种有效的天然色素生产途径， 越来越受到人们的重视。
5. 毒素
毒素是指一些微生物产生的对人和动植物细胞有毒杀作用的次级代谢产物。 能够产生 毒素的微生物类群主要包括细菌和霉菌两大类。 微生物在生命活动过程中释放或分泌到周 围环境的毒素称为外毒素， 主要是一些单纯蛋白质。 产生外毒素的细菌主要是革兰阳性 菌， 如白喉杆菌 (Corynebacterium diphtheriae) 、 破伤风杆菌 ( Clostridium tetani) 肉毒杆菌 (Clostridium botulinum) 和金黄色葡萄球菌 ( Staphyloccocus aureus) ， 还有少数革兰阴性菌， 如痢疾杆菌 ( Shigella) 和霍乱弧菌 ( Vibrio cholera) 等。 革兰阴性菌细胞壁外壁层上有一 种特殊结构， 在菌体死亡自溶或黏附在其他细胞上时才表现出毒性， 称为内毒素， 它是由 多糖、 抗原、 核心多糖和类脂 A 组成的复合体。 真菌产生的毒素种类也很多， 如黄曲霉 ( Aspergillus flavus) 和寄生曲霉 ( Aspergillus parasiticus Speare) 所产生的曲霉毒素， 青霉 (Penicilliurn) 和曲霉 ( Aspergillus) 产生的展青霉素， 镰刀菌属 ( Fusarium) 产生的镰刀 菌毒素， 以及一些大型真菌所产生的毒素等。
6. 生物碱
生物碱是存在于天然生物界中含氮原子的碱性有机化合物， 主要存在于植物中， 常具 有明显的药理学活性。 按照生物碱的结构分类， 重要的类型有吡咯烷类、 吡啶类、 莨菪烷 类、 异喹啉类、 有机胺类、 吲哚类等。 目前发现的许多生物碱与植物内生真菌有关。 例 如， 紫杉醇就是一个二萜类的生物碱， 该化合物具有独特的抑制微管解聚和促进微管聚 合的作用， 是 一 种 良 好 的 广 谱 抗 肿 瘤 药 物， 目 前 发 现 许 多 植 物 内 生 真 菌 能 够 产 生 紫 杉醇。
(三) 初级代谢与次级代谢的关系
初级代谢和次级代谢是一个相对的概念， 两者既有联系又有区别。 两者之间的区别主 要表现如下。
(1) 次级代谢存在于一些特定生物中， 而且不同生物的次级代谢途径和产物不同。 而 不同生物的初级代谢产物基本没有差异或差异不大。
(2) 次级代谢产物对生物本身来说不是其生存所必需的物质， 即使某些次级代谢途径 出现障碍也不会给机体的生存和生长带来太大危害。 而初级代谢产物， 如单糖、 核苷酸、 氨基酸、 脂肪酸等单体以及由其组成的各种生物大分子 ( 如多糖、 核酸、 蛋白质、 脂质 等) 都是机体生存必不可少的物质， 只要这些物质的分解或合成过程中任何一个环节出问 题， 都可能给生命活动带来影响， 轻则影响生物的生长繁殖， 重则导致死亡。
(3) 次级代谢在微生物生长特定阶段才出现， 它和细胞生长的过程往往不是同步的。 例如， 青霉素的合成在生产菌的生长速率开始下降时才开始。 而初级代谢存在于生命活动 的一切过程中， 在细胞生长和繁殖时尤其旺盛， 因而往往和细胞生长过程同步。
(4) 次级代谢产物种类繁多， 往往含有不寻常的化学键。 每种类型的次级代谢产物是一群化学结构非常相似而成分不同的混合物。 而初级代谢产物的性质和类型在不同生物 中基本相同。 例如， 组成蛋白质的 20 种常见氨基酸、 组成核酸的 5 种常见核苷酸在不同 生物中都是一样的， 在生物生长和繁殖过程中发挥的重要作用也基本类似。
(5) 机体内两种代谢类型在遗传上的稳定性不同。 控制次级代谢产物合成的基因可能 不在染色体 DNA 上， 而是存在于游离的环状 DNA 分子 ( 质粒) 中， 这些质粒可以转移、 整合、 重组甚至消失。 控制初级代产物合成的基因一般都存在于染色体 DNA 上， 稳定性 要高得多。
(6) 机体内两种代谢类型对环境的敏感性不同。 次级代谢对环境条件的变化敏感， 往 往随着环境的不同而产生不同的产物。 而初级代谢对环境变化的敏感性小得多， 较稳定。
(7) 催化次级代谢产物合成的酶专一性较差， 往往结构上类似的底物都能够被同一种 酶催化。 例如， 青霉素合成中的酰基转移酶可以将不同的酰基侧链转移到青霉素母核 6 - APA 的 7 位氨基上， 因而天然青霉素发酵形成了五种不同的成分， 分别为青霉素 G、 V、 O、 F、 X。 而催化初级代谢产物合成的酶专一性总是很高， 因为差错会导致严重的后果。 虽然初级代谢和次级代谢有诸多不同， 但它们之间也有着非常密切的联系， 总体表现 为初级代谢是次级代谢的基础， 初级代谢为次级代谢提供前体或起始物。 以内酰胺类抗生 素的生物合成为例， 青霉素生物合成的起始物是 α-氨基己二酸、 L-半胱氨酸、 L-缬氨酸。 这三种氨基酸都是微生物的初级代谢产物， 但是它们又被用来合成青霉素、 头孢菌素 L 等 次级代谢产物。 大环内酯类抗生素———阿维菌素的生物合成以异亮氨酸和缬氨酸为起始 物。 多肽类抗生素是由氨基酸通过肽键连接而合成的。 此外， 初级代谢的一些关键中间产 物也是次级代谢合成中重要的中间体物质， 如乙酰 CoA、 莽草酸和丙二酸等是许多次级代 谢的中间体物质。 另外， 初级代谢的调控影响到次级代谢产物的生物合成。 初级代谢往往受到严格的代 谢调控。 当一些初级代谢产物和次级代谢相关时， 初级代谢途径的调控必然影响到相关的 次级代谢。 例如， 在青霉素发酵中， 产黄青霉 ( Penicillium chrysogenum Thom) 菌株胞内 的 α-氨基己二酸浓度与青霉素的产量有着直接的关系， 向生长菌体或静息细胞的培养液 中加入外源的 α-氨基己二酸可有效提高青霉素的产量。 再者， 初级代谢也是次级代谢主 要的能量和还原力来源。 例如， 糖类、 脂类、 氨基酸的分解代谢产生的能量和还原力也可 以用于次级代谢。
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