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發酵工程原理與技術(簡體書)
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商品簡介

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目次

《發酵工程原理與技術》共分為八章,第一章主要介紹了發酵工程的類型、特點、關鍵技術、現狀以及發展趨勢。第二章主要闡述了誘變育種技術、微生物生理學、基因工程與代謝工程以及系統生物學與合成生物學在工業微生物菌種選育方面的應用。第三、四章分別介紹了發酵培養基的制備原理與技術以及無菌空氣的制備工藝及設備。第五章介紹了培養條件對發酵過程的影響、發酵動力學以及發酵罐設備。第六章介紹了常見的發酵過程優化技術,包括微生物培養環境優化、基于動力學模型的優化、分階段優化技術、基因工程菌的優化等,并在此基礎上介紹了發酵過程的一般放大原理和方法。第七章闡明了發酵過程檢測與控制、發酵染菌及其防治技術以及發酵過程計算機接口技術在發酵工程中的應用。第八章主要闡述了發酵下游加工過程中發酵液預處理及發酵產物提取與精制的原理和技術。
《發酵工程原理與技術》可作為綜合性大學和理工類院校生物工程專業及相關專業的本科生和研究生的教材,可供從事發酵工程、生物化工和生化工程等相關領域的科研人員和教學工作者參考。
《國家精品課程教材,普通高等教育“十二五”規劃教材:發酵工程原理與技術》可作為綜合性大學和理工類院校生物工程專業及相關專業的本科生和研究生的教材,可供從事發酵工程、生物化工和生化工程等相關領域的科研人員和教學工作者參考。
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、生物信息學、系統生物學、生物催化工程和人工智能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。
發酵工業在我國國民經濟中占有較高的比重,量大面廣,直接關系著國計民生。我國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)在世界上占有舉足輕重的地位,但是,技術水平與發達國家相比有較大差距,主要體現在生產菌種水平較低,發酵工藝、分離精制方法和生產裝置落後,致使我國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、發酵過程的全局優化與控制、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,對進一步提升我國的發酵工程技術水平具有重要的意義,也是作者撰寫此書的內在原動力。
作者撰寫此書,一方面得益于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項目,包括863重點項目、國家杰出青年基金項目、國家自然科學基金重點項目等,而正是這些科研項目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、無菌空氣的制備、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制等。
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,不拘泥于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,也適用于發酵工程、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。
盡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,但限于作者的學術功底、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
第一章緒論1
第一節發酵工程發展史和相關學科1
一、發酵工程的定義1
二、發酵工程發展史及相關學科1
第二節發酵工程類型與發酵過程特點4
一、發酵工程類型4
二、發酵過程特點5
第三節發酵工藝過程和關鍵技術5
一、發酵工藝過程5
二、發酵工程關鍵技術6
第四節發酵工業產品和現狀7
一、發酵工業產品7
二、發酵工業現狀7
第五節發酵工程發展趨勢8
一、技術領域的擴展趨勢10
二、應用領域的擴展趨勢11

第二章微生物菌種制備原理與技術13
第一節發酵工業微生物菌種13
一、概述13
二、發酵工業常用微生物種類13
三、發酵工業微生物的基本要求16
四、菌種的制備原理與方法16
五、適應性進化18
六、菌種的保藏19
第二節發酵微生物生理學21
一、概述21
二、微生物的遺傳與繁殖21
三、底物的吸收與轉運22
四、微生物的代謝與調控23
五、底物、中間產物、終產物與其他脅迫
條件下的響應和耐受25
第三節微生物誘變育種27
一、概述27
二、誘變技術28
三、誘變育種的篩選策略31
四、代謝控制育種32
五、高通量篩選技術33
第四節微生物原生質體育種與基因組改組育種34
一、概述34
二、微生物原生質體再生育種35
三、微生物原生質體誘變育種37
四、微生物原生質體轉化育種38
五、微生物原生質體融合育種38
六、基因組改組育種40
第五節發酵微生物的基因工程與代謝工程育種42
一、概述42
二、發酵微生物的基因工程育種42
三、代謝工程育種45
四、基因工程菌的發酵特性47
五、基因工程菌的安全性49
第六節工業微生物的系統生物學與合成生物學49
一、概述49
二、組學技術及其在發酵工程中的應用50
三、系統生物學技術和基于系統生物學的菌種改造53
四、合成生物學及其在發酵工程中的應用53

第三章發酵培養基的制備與滅菌56
第一節發酵工業原料56
一、發酵工業原料的種類及其組成56
二、發酵工業原料的選擇原則62
三、生物合成的前體物質、抑制劑、
促進劑63
四、原料預處理的目的64
五、原料預處理的方法65
第二節發酵培養基的設計67
一、發酵培養基設計的目的67
二、發酵培養基設計的基本原則69
三、發酵培養基設計的方法69
四、發酵培養基的優化70
第三節淀粉質原料的加工方法與設備70
一、淀粉水解的理論基礎70
二、淀粉的液化方法與設備71
三、淀粉的糖化方法與設備72
四、不同發酵產品對淀粉質原料處理的要求73
第四節纖維質原料的加工方法75
一、酸水解75
二、?水解77
第五節培養基及設備的滅菌79
一、培養基滅菌的目的、要求和方法79
二、濕熱滅菌的理論基礎81
三、培養基滅菌的工程設計83

第四章無菌空氣的制備85
第一節無菌空氣制備的概述85
一、空氣和無菌空氣85
二、空氣除菌的方法86
第二節空氣介質過濾除菌的原理87
一、捕集效率87
二、空氣過濾器除菌機制88
三、對數穿透定律91
四、微濾91
第三節介質過濾制備無菌空氣的工藝和過濾器91
一、介質過濾制備無菌空氣的工藝流程91
二、介質過濾的空氣過濾器93

第五章培養條件、操作方式與發酵罐設計97
第一節培養條件對發酵過程的影響97
一、培養基97
二、溫度100
三、pH103
四、供氧對發酵過程的影響105
五、代謝產物及其他106
第二節發酵動力學112
一、發酵過程動力學分類112
二、發酵過程中的質量和能量平衡119
三、發酵過程動力學125
第三節發酵罐設備140
一、反應器的分類140
二、反應器的設計目標和原則141
三、機械攪拌通風發酵罐146
四、氣升式發酵罐154
五、固態發酵罐156

第六章發酵過程優化與放大158
第一節概述158
一、發酵過程優化的基本特征158
二、發酵過程優化的主要內容及步驟159
第二節微生物培養環境的優化161
一、微生物的營養需求161
二、微生物的環境條件167
三、培養環境優化的正交試驗和響應面優化技術168
第三節基于發酵過程動力學模型的優化技術175
一、基于動力學模型的發酵過程優化的基本特征175
二、基于動力學模型的發酵過程優化的一般步驟175
第四節分階段發酵優化技術175
一、分階段優化技術的一般原理與步驟175
二、溫度兩階段控制技術175
三、pH兩階段控制技術178
四、溶氧兩階段控制技術181
第五節基因工程菌的發酵優化182
一、基因工程菌發酵過程存在的問題183
二、基因工程菌發酵過程優化研究184
三、高密度培養技術在基因工程菌發酵過程優化中的應用186
第六節發酵過程放大188
一、發酵過程放大原理、原則與步驟188
二、發酵過程放大方法190
三、基于計算流體力學的發酵過程放大技術191

第七章發酵過程監測與控制205
第一節概述205
一、發酵過程控制特性205
二、發酵過程主要檢測參數205
三、發酵過程常用傳感器207
第二節發酵過程主要狀態參數的監測與控制207
一、發酵過程中溫度的檢測與控制207
二、發酵過程中pH的檢測與控制210
三、發酵過程中溶氧的檢測與控制214
四、發酵過程中泡沫的產生和消除217
五、發酵過程中CO2的濃度和呼吸商的檢測218
六、發酵過程中細胞濃度、產物濃度和底物濃度的檢測220
第三節發酵過程先進的控制技術225
一、基于人工神經網絡的發酵過程模式識別與控制225
二、基于代謝網絡模型的發酵過程在線控制232
第四節發酵染菌及其防治技術233
一、染菌對發酵的影響234
二、發酵染菌的分析235
三、雜菌污染的途徑和防治237
四、故障診斷技術240
第五節發酵過程的計算機接口技術247
一、發酵過程的計算機控制原理247
二、發酵過程的計算機控制功能分析249
三、集散控制系統及接口技術249

第八章發酵液預處理及發酵產物提取與精制271
第一節概論271
一、下游加工過程在發酵工程中的地位271
二、發酵下游加工過程的特點271
三、分離過程的機理與分離操作272
四、發酵工業下游技術的一般工藝過程272
第二節發酵液的預處理和固液分離274
一、發酵液的預處理目的和要求274
二、發酵液固液分離技術與設備276
三、微生物細胞的破碎283
第三節沉淀技術289
一、沉淀的原理與目的289
二、沉淀方法種類及要求291
三、沉淀技術應用296
第四節吸附技術297
一、吸附法的原理與目的297
二、吸附法的優缺點298
三、吸附劑的基本要求和種類298
四、吸附基本理論及影響吸附過程的因素300
第五節色譜技術303
一、概述303
二、色譜法基本原理303
第六節膜分離技術309
一、膜分離方法的分類309
二、表征膜性能的參數311
三、膜分離設備313
四、膜分離過程的操作特性和影響因素316
五、膜分離過程在發酵工業中的應用317

參考文獻320

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