現(xiàn)代發(fā)酵工程叢書

前言

　　中國20世紀早期的發(fā)酵工業(yè)多限于厭氧發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，如乙醇、丙酮、丁醇及釀酒等。20世紀40年代初，需氧的青霉素發(fā)酵在多學科學者的通力協(xié)作下，在美國投入了工業(yè)化生產(chǎn)。關于從自然界篩選和優(yōu)化菌種的方法，以及需氧發(fā)酵過程中諸多規(guī)律性研究成果——《生化工程學》也伴隨而生。這標志著現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)新紀元的開始。它不但以很快的速度催生了多系列的需氧發(fā)酵產(chǎn)業(yè)，同時也使原有的厭氧發(fā)酵業(yè)界受益匪淺。擇其要者簡述如下：　　抗生素　中國20世紀50年代早期在上海開始生產(chǎn)青霉素。如今中國是青霉素的生產(chǎn)大國，并具有多家綜合性大型抗生素廠，醫(yī)用抗生素種類基本齊全，但半合成頭孢菌素的生產(chǎn)能力不足?！　“被帷≈袊梦⑸锇l(fā)酵法代替面筋酸水解法工業(yè)化生產(chǎn)谷氨酸，于1964年在上海投產(chǎn)。現(xiàn)在幾乎全部的L－氨基酸都可用發(fā)酵法生產(chǎn)；只有少數(shù)幾種氨基酸采用固定化菌體（酶）催化不對稱水解化學合成的DL-氨基酸－N－?；苌锏姆椒?，實現(xiàn)光學拆分，最終獲得高得率的L－氨基酸?！　∶钢苿≈袊奈⑸锩钢苿┌l(fā)酵工業(yè)于1965年在無錫首先投產(chǎn)。當時品種雖少，但相關工業(yè)行業(yè)受益頗豐。1990年美國食品和藥物管理局（FDA）批準以安全菌株構建的凝乳酶基因工程菌投人工業(yè)使用之后，國外大型酶制劑生產(chǎn)公司的基因工程菌酶制劑于20世紀90年代中期進入中國，并建立了控股公司或獨資公司，銷售3個等級10多個系列的產(chǎn)品。　　有機酸　中國用發(fā)酵法生產(chǎn)有機酸是20世紀80年代興起的。以檸檬酸、L－乳酸、L－蘋果酸和衣康酸等為主。其中檸檬酸產(chǎn)量居世界第二位，年出口額2億美元以上，為世界第一，也是中國化工行業(yè)單項出口額最大的產(chǎn)品。

內容概要

發(fā)酵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，我國發(fā)酵工業(yè)雖然規(guī)模大，但技術含量(特別是發(fā)酵中游技術)卻普諞較低。本書作者背景橫跨發(fā)酵工程和自動控制兩個不同的領域，應及時之需，對發(fā)酵過程的解析、控制與優(yōu)化的關鍵技術和方法進行了比較系統(tǒng)和詳細的介紹和總結，寫成本書。第一版推向市場后贏得了讀者的廣泛好評，被許多高校選作教材。第二版在第一版基礎上更新了大量技術內容，體現(xiàn)了下列特色：     在歸納總結著者原創(chuàng)性成果的基礎上，充分借鑒國內外同行和學術權威的研究成果和理論，詳細介紹了許多具有共性特征的發(fā)酵過程控制的關鍵技術，如最優(yōu)化控制、發(fā)酵過程建模與狀態(tài)預測、在線自適應控制、人工智能控制和基于代謝網(wǎng)絡模型的過程優(yōu)化控制等。     新增了有關發(fā)酵過程的多變量聚類分析和故障診斷／早期預警的內容，對于解決生產(chǎn)中的實際問題有指導性。     對公式、算法和控制理論進行適當刪減，增加了大量的、具有共性特征的實際發(fā)酵例證，易于讀者接受、理解和推廣使用。     基于部分高校教學的實際需要，適當加入一些習題和解答，便于學習。     本書可以作為發(fā)酵工程、生物工程、生物化工、生物技術等專業(yè)的教科書和研究參考書，也可供相關生物技術企業(yè)的技術人員閱讀參考。

書籍目錄

第一章　緒論 　第一節(jié)　發(fā)酵過程的特點以及發(fā)酵過程的操作、控制、優(yōu)化的基本特征 　第二節(jié)　發(fā)酵工程技術在整體發(fā)酵工程中的定位 　第三節(jié)　發(fā)酵過程控制的主要研究內容和要解決的問題 　　一、發(fā)酵過程優(yōu)化實現(xiàn)的順序和條件 　　二、實現(xiàn)發(fā)酵過程控制和優(yōu)化的硬軟件技術支撐 　第四節(jié)　發(fā)酵過程的狀態(tài)變量、操作變量和可測量變量 　第五節(jié)　用于發(fā)酵過程控制和優(yōu)化的各類模型 　第六節(jié)　發(fā)酵過程控制概論 　　一、傳統(tǒng)的發(fā)酵過程控制系統(tǒng) 　　二、展望——新型、集約式發(fā)酵過程控制系統(tǒng) 　參考文獻 第二章　生物過程參數(shù)在線檢測技術 　第一節(jié)　pH的在線測量 　　一、pH傳感器的工作原理 　　二、pH傳感器的使用 　第二節(jié)　溶解氧濃度的在線測量 　　一、溶解氧濃度測量原理 　　二、溶解氧電極 　　三、溶解氧電極的使用 　第三節(jié)　發(fā)酵罐內氧氣和二氧化碳分壓的測量以及呼吸代謝參數(shù)的計算 　　一、氧分析儀 　　二、尾氣CO分壓的檢測 　　三、呼吸代謝參數(shù)的計算 　第四節(jié)　發(fā)酵罐內氧氣體積傳質系數(shù)KLa的測量 　　一、亞硫酸鹽氧化法 　　二、溶解氧電極法 　　三、物料衡算法 　　四、動態(tài)測定法 　　五、取樣極譜法 　　六、復膜電極測定KLa 　第五節(jié)　發(fā)酵罐內細胞濃度的在線測量和比增殖速率的計算 　　一、菌體濃度的檢測方法及原理 　　二、在線激光濁度計 　第六節(jié)　生物傳感器在發(fā)酵過程檢測中的應用 　　一、生物傳感器的類型和結構原理 　　二、發(fā)酵罐基質(葡萄糖等)濃度的在線測量 　　三、引流分析與控制 　　四、發(fā)酵罐器內一級代謝產(chǎn)物(乙醇、有機酸等)濃度的在線測量 　參考文獻 第三章　發(fā)酵過程控制系統(tǒng)和控制設計原理及應用 　第一節(jié)　過程的狀態(tài)方程式 　第二節(jié)　發(fā)酵過程的基礎數(shù)學模型 　　一、發(fā)酵過程最基本的合成和代謝分解反應 　　二、發(fā)酵過程典型的數(shù)學模型形式 　　三、發(fā)酵過程的各種得率系數(shù)和各種比反應速率模型的表現(xiàn)形式 　　四、生物反應器的基本操作方式 　　五、發(fā)酵過程狀態(tài)方程式在“理想操作點”近旁的線性化 　第三節(jié)　拉普拉斯變換與反拉普拉斯變換 　　一、拉普拉斯變換的定義 　　二、拉普拉斯變換的基本特性以及基本函數(shù)的拉普拉斯變換 　　三、反拉普拉斯變換 　　四、有理函數(shù)的反拉普拉斯變換 　　五、過程的傳遞函數(shù)GP(s)——線性狀態(tài)方程式的拉普拉斯函數(shù)表現(xiàn)形式 　　六、過程傳遞函數(shù)的框圖和轉換 　　七、過程輸出對于輸入變量階躍式變化的響應特性 　第四節(jié)　過程的穩(wěn)定性分析 　　一、過程穩(wěn)定的判別標準 　　二、過程在平衡點（特異點）近旁的穩(wěn)定特性分類 　第五節(jié)　發(fā)酵過程的前饋控制 　　一、過程前饋控制簡介 　　二、前饋控制在流加發(fā)酵過程中的應用 　第六節(jié)　發(fā)酵過程的反饋控制 　第七節(jié)　PID反饋控制系統(tǒng)的構成和性能特征 　　一、比例動作 　　二、積分動作 　　三、微分動作 　　四、PID反饋控制器的構成特征 　第八節(jié)　PID反饋控制系統(tǒng)的解析和設計 　　一、反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 　　二、反饋控制系統(tǒng)的設計和參數(shù)調整 　　三、開關反饋控制 　第九節(jié)　反饋控制系統(tǒng)在發(fā)酵過程控制中的實際應用 　　一、以溶解氧濃度變化為反饋指標的流加培養(yǎng)控制——DO?Stat法 　　二、以pH變化為反饋指標的流加培養(yǎng)控制——pH?Stat法 　　三、以RQ為反饋指標的發(fā)酵過程控制 　　四、直接以底物濃度為反饋指標的發(fā)酵過程控制 　　五、以代謝副產(chǎn)物濃度為反饋指標的流加培養(yǎng)控制 　　六、在線測量可測狀態(tài)變量間接推定和控制谷氨酸發(fā)酵糖濃度、提高發(fā)酵性能 　【習題】 　【解答】 　參考文獻 第四章　發(fā)酵過程的最優(yōu)化控制 　第一節(jié)　最優(yōu)化控制的研究內容、表述、特點和方法 　第二節(jié)　最大原理及其在發(fā)酵過程最優(yōu)化控制中的應用 　　一、最大原理及其算法簡介 　　二、利用最大原理確定流加培養(yǎng)過程的最優(yōu)基質流加策略和方式 　　三、最大原理數(shù)值解法及其在發(fā)酵過程最優(yōu)化控制中的應用簡介 　第三節(jié)　格林定理及其在發(fā)酵過程最優(yōu)化控制中的應用 　　一、格林定理 　　　二、利用格林定理求解流加培養(yǎng)（發(fā)酵）的最短時間軌道問題 　　三、格林定理在乳酸菌過濾培養(yǎng)最優(yōu)化控制中的應用 　第四節(jié)　遺傳算法及其在發(fā)酵過程最優(yōu)化控制中的應用 　　一、遺傳算法簡介 　　二、遺傳算法的算法概要及其在重組大腸桿菌培養(yǎng)的最優(yōu)化控制中的應用 　【習題】 　【解答】 　參考文獻 第五章　發(fā)酵過程的建模和狀態(tài)預測 第六章　發(fā)酵過程的在線自適應控制 第七章　人工智能控制 第八章　利用代謝網(wǎng)絡模型的過程控制和優(yōu)化 第九章　發(fā)酵過程的多變量聚類分析和故障診斷/早期預警 第十章　計算機在生化反應過程控制中的應用

章節(jié)摘錄

　　微生物的生長是受內外條件相互作用調控的復雜過程，外部條件包括物理條件、化學條件及發(fā)酵液中的生物學條件，內部條件主要是細胞內部的生化反應條件。通常發(fā)酵過程的操作只能對外部因素進行直接調控。所謂調控一般是將環(huán)境因素調節(jié)到最適條件，使其利于細胞生長或產(chǎn)物的生成。因此發(fā)酵過程的操作需要了解一些與環(huán)境條件和微生物生理狀態(tài)有關的信息，即需要對過程參數(shù)進行檢測?！　“l(fā)酵參數(shù)和條件的檢測是非常重要的，檢測所提供的信息有助于人們更好地理解發(fā)酵過程，從而對工藝過程進行改進。發(fā)酵過程檢測是為了獲得給定發(fā)酵過程及菌體的重要參數(shù)（物理的、化學的和生物學參數(shù)）的數(shù)據(jù)，以便實現(xiàn)對發(fā)酵過程的優(yōu)化、模型化和自動控制。一般而言，由檢測獲取的信息越多，對發(fā)酵過程的理解就越深刻，工藝改進的潛力也就越大。發(fā)酵過程一般在無菌條件下進行，因而只能通過取樣檢測或在反應器內部進行直接檢測的方法來獲得相關信息。但是檢測儀表（傳感器）和控制儀表的花費較大，而且需要維護和校準，同時也有染菌的風險。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，新型檢測技術的應用已使檢測的儀表化表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，例如合理的儀表化和設備控制的重要性已在提高產(chǎn)品質量與產(chǎn)量、減少整個工藝過程的費用、產(chǎn)品研發(fā)等方面有所體現(xiàn)，它們正被越來越多地用于工業(yè)化生產(chǎn)。　　標準化檢測裝置的大部分儀表用于檢測溫度、壓力、攪拌轉速、功率輸入、流加速率和質量等物理參數(shù)。這些參數(shù)的測量在一般工業(yè)中的應用已相當普遍，在用于發(fā)酵過程檢測時，只需進行微小的調整即可。化學參數(shù)檢測技術中比較成熟的是尾氣中O2濃度和CO2濃度、發(fā)酵液pH、溶解氧濃度的檢測。目前較為缺乏的是用于檢測發(fā)酵生物學參數(shù)的裝置，如檢測菌體量、基質濃度和產(chǎn)物濃度等基本參數(shù)的傳感器，這些重要的生物學參數(shù)仍然很難實現(xiàn)直接在線檢測。由于缺乏可靠的生物傳感器，有關微生物的信息反饋量極少，這就使得發(fā)酵過程中微生物的狀態(tài)只能通過理化指標間接得到。例如，構建物質平衡關系式是生化工程中的重要工具，由平衡關系式可以確定導出量，并能補充傳感器直接測得的數(shù)值。物料平衡可用于估計呼吸商、氧吸收速率、CO2得率等導出量?！　∥⑸锓磻膮?shù)檢測及傳感器具有以下特點：①需要檢測的參數(shù)種類多。對于普通的化學反應過程而言，只需要檢測溫度、壓力、反應物濃度及產(chǎn)物的濃度等幾個參數(shù)。但對于微生物反應，需要測定的參數(shù)非常多，如表2—1所示，這些參數(shù)可分為物理參數(shù)和化學參數(shù)兩大類。②傳感器直接裝在反應器內使用時，必須能承受高溫蒸汽滅菌，以避免滅菌后其性能下降。這一點對于防止染菌是完全必要的。

圖書封面

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