生物反應(yīng)過程檢測與調(diào)控

前言

　　自20世紀(jì)70年代以來，以重組DNA技術(shù)、細胞培養(yǎng)技術(shù)為核心的現(xiàn)代生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)在短短的30年間得到了迅速的發(fā)展，已成為21世紀(jì)初經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國趕超世界發(fā)達國家生產(chǎn)力水平，實現(xiàn)后發(fā)優(yōu)勢和跨越式發(fā)展最有希望的領(lǐng)域之一。為了縮短我國在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化上與發(fā)達國家的差距，促進科學(xué)技術(shù)向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)和造就一批具有生物技術(shù)上下游綜合知識的復(fù)合型生物工程技術(shù)人才，教育部于1998年在統(tǒng)一本科專業(yè)招生目錄時，增加了生物工程專業(yè)?！　≡谏锕こ虒I(yè)教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，有關(guān)工程方面的教材十分缺乏，特別是生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程優(yōu)化操作和控制等方面的教課書幾乎還是空白?；谏鲜鲈?，我們在開設(shè)“生物反應(yīng)過程測控技術(shù)”這門課程時，查閱了國內(nèi)外有關(guān)文獻，組織編寫了《生物反應(yīng)過程檢測與調(diào)控》講義。本書就是在該講義的基礎(chǔ)上進一步修改完善而成的。希望能滿足生物工程專業(yè)及理工科大學(xué)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)需要，同時，也可作為從事生物工程相關(guān)科研、生產(chǎn)和開發(fā)人員的參考書?！　”緯晕⑸?、動植物細胞生物反應(yīng)過程的檢測與控制為主線，將生物細胞的生理生化和分子生物學(xué)知識運用于闡述生物代謝調(diào)節(jié)規(guī)律，結(jié)合生物反應(yīng)過程原理，解釋影-響反應(yīng)過程的各種因素，如何進行數(shù)據(jù)分析，過程是否正常，以及怎樣實現(xiàn)優(yōu)化控制等。從參數(shù)檢測先進傳感器（含生物傳感器）、物理和化學(xué)參數(shù)測量方法與有關(guān)設(shè)備、不可測參數(shù)的估算以及生物反應(yīng)過程計算機控制等方面都作了較全面的介紹。除對基礎(chǔ)理論進行了系統(tǒng)闡述外，還試圖全面反映該領(lǐng)域的最新研究成果?！　∪珪卜?章。第l章緒論，對生物反應(yīng)過程檢測與調(diào)控有關(guān)問題作一簡要介紹；第2章為物理參數(shù)檢測（包括溫度、壓力、液位、流量及發(fā)酵液黏度及攪拌參數(shù)）；第3章介紹化學(xué)參數(shù)（pH值和溶解氧）的測量；第4章介紹生物參數(shù)的估算（含生物反應(yīng)過程數(shù)據(jù)采集和濾波、呼吸代謝參數(shù)、以及細胞濃度和發(fā)酵液成分的測量）；第5章為生物傳感器的研究開發(fā)與應(yīng)用；第6章，生物細胞的代謝調(diào)節(jié)；第7章和第8章分別為生物反應(yīng)過程的控制及生物反應(yīng)過程計算機控制?！　⒓颖緯帉懙倪€有梁彥龍、蔣磊、王雪松、錢延春、駱曉沛、張昕、陳玉香、李然、王健等。在編寫過程中參考了許多國內(nèi)外有關(guān)書籍和文獻資料，在此向這些同行們表示衷心的感謝！本書是吉林大學(xué)“十五”規(guī)劃立項教材，得到了吉林大學(xué)有關(guān)部門和領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，在此也一并表示感謝！

內(nèi)容概要

　　《吉林大學(xué)"十五"規(guī)劃教材·生物反應(yīng)過程檢測與調(diào)控》以微生物、動植物細胞生物反應(yīng)過程的檢測與控制為主線，對參數(shù)檢測先進傳感器、物理和化學(xué)參數(shù)測量方法有關(guān)設(shè)備、不可測參數(shù)的估算及生物反應(yīng)過程計算機控制等方面作了較全面的介紹。

作者簡介

　　趙壽經(jīng)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，農(nóng)業(yè)部有突出貢獻的中青年專家，吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院牛物工程系主任，學(xué)科帶頭人。一直從事生物技術(shù)與生物工程等方面的科研和教學(xué)工作。先后主持和參加國家及部、省級科研項目20余項，取得科研成果11項，獲獎成果4項。其中獲省科技進步二等獎1項（第1完成人），三等獎1項（主要完成人），中國農(nóng)科院科技進步二等獎和市級科技獎各1項（第l完成人）。先后在《生物工程學(xué)報》、《中國生物工程雜志》、《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》、《農(nóng)業(yè)牛物技術(shù)學(xué)報》《J．Trop．Med．P1ants．》等國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表主筆論文50余篇，編寫爭業(yè)著作4部。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 生物反應(yīng)過程的概念、內(nèi)容和特點1.1.1 生物反應(yīng)過程的概念1.1.2 生物反應(yīng)過程的內(nèi)容1.1.3 生物反應(yīng)過程的特點1.2 生物反應(yīng)過程檢測與調(diào)控1.2.1 生物反應(yīng)過程檢測與調(diào)控的含義1.2.2 過程檢游與調(diào)控的目的和任務(wù)1.3 生物反應(yīng)過程參數(shù)檢測概述1.3.1 物理參數(shù)1.3.2 化學(xué)參數(shù)1.3.3 生物參數(shù)1.4 細胞的代謝調(diào)節(jié)概述1.4.1 代謝調(diào)節(jié)機制1.4.2 初級代謝物的調(diào)節(jié)1.4.3 次級代謝物的調(diào)節(jié)1.5 生物反應(yīng)過程控制概述1.5.1 過程控制的主要內(nèi)容1.5.2 控制系統(tǒng)概述1.6 計算機在生物反應(yīng)過程控制中的應(yīng)用1.6.1 生物反應(yīng)過程狀態(tài)估計1.6.2 生物反應(yīng)過程直接數(shù)字控制1.6.3 生物反應(yīng)過程優(yōu)化控制第2章 物理參數(shù)的檢測2.1 反應(yīng)過程參數(shù)檢測方式與傳感器2.1.1 檢測方式及原理2.1.2 檢測用傳感器種類及特征2.2 溫度的測量2.2.1 熱電勢式測溫元件2.2.2 熱電阻式測溫元件2.2.3 溫度的測量、顯示和記錄2.3 壓力和液位的測量2.3.1 壓力測量原理2.3.2 波登管式壓力傳感器2.3.3 波紋管式壓力傳感器2.3.4 膜式壓力傳感器2.3.5 電阻應(yīng)變片2.3.6 壓力測量2.3.7 液位和泡沫液位的測量2.4 流量測量2.4.1 流量測量概述2.4.2 差壓式流量計2.4.3 轉(zhuǎn)子流量計2.4.4 電磁流量計2.5 發(fā)酵液黏度及攪拌參數(shù)的檢測2.5.1 發(fā)酵液黏度的檢測2.5.2 攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的檢測第3章 化學(xué)參數(shù)的檢測t磅3.1 pH值測量概述3.1.1 pH值測量的目的3.1.2 pH值測量所需電極3.1.3 pa值測量系統(tǒng)3.2 pH值測量方法3.2.1 prl值測量的一般原則3.2.2 生物工廠的OH值測量3.2.3 信號處理和環(huán)境影響3.2.4 pH值電極的標(biāo)定3.2.5 電極的維護3.2.6 溫度補償3.3 OH值測量的基礎(chǔ)理論3.3.1 電勢測量原理I3.3.2 oH值測量系統(tǒng)電勢3.3.3 pH值的定義3.3.4 活度與濃度的關(guān)系3.3.5 緩沖液3.3.6 pH值與溫度的關(guān)系3.3.7 信號處理3.4 pH值測量應(yīng)用示例I3.4.1 實驗室中pH值測量3.4.2 生物工廠pH值連續(xù)測量3.5 溶解氧的測量3.5.1 極譜分析法基本原理3.5.2 擴散電流理論3.5.3 溶解氧電極3.5.4 溶氧電極構(gòu)造3.5.5 溶氧電極技術(shù)特性3.5.6 溶氧電極電流放大器3.5.7 溶氧測量系統(tǒng)的校驗3.6 溶解氧測量與維護第4章 生物反應(yīng)過程有關(guān)生物參數(shù)的估算4.1 生物反應(yīng)過程數(shù)據(jù)采集和濾波4.1.1 過程數(shù)據(jù)采集和處理4.1.2 簡單數(shù)字濾波法4.2 呼吸代謝的測量及有關(guān)算法4.2.1 氧利用率OUR4.2.2 二氧化碳釋放率CER4.2.3 呼吸商RQ4.2.4 呼吸代謝參數(shù)與生物參數(shù)的關(guān)系4.3 依據(jù)發(fā)酵熱和物料平衡進行估計的方法4.3.1 發(fā)酵熱的測量4.3.2 發(fā)酵熱與動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系4.3.3 基于化學(xué)元素平衡方法來估計生物參數(shù)4.4 青霉素發(fā)酵過程生物質(zhì)濃度在線估計實例4.4.1 估計算法推導(dǎo)4.4.2 數(shù)據(jù)采集和計算方法4.5 細胞濃度測定4.5.1 全細胞濃度的測定4.5.2 活細胞濃度測定4.6 生物發(fā)酵溶液中營養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析第5章 參數(shù)檢測中的生物傳感器及流程分析儀5.1 生物傳感器的類型及其結(jié)構(gòu)原理5.1.1 酶電極5.1.2 微生物電極5.1.3 免疫電極5.1.4 生物傳感器的換能器件5.2 生物傳感器在檢測過程中的應(yīng)用5.2.1 在微生物發(fā)酵中的應(yīng)用5.2.2 動物細胞培養(yǎng)的檢測5.2.3 植物細胞培養(yǎng)的檢測5.3 生產(chǎn)流程分析儀5.3.1 紅外氣體分析儀5.3.2 氧分析儀5.3.3 反應(yīng)過程新型檢測技術(shù)第6章 生物細胞的代謝調(diào)節(jié)6.1 生物細胞的代謝調(diào)節(jié)特點6.2 生物細胞代謝調(diào)控機制6.2.1 酶活性的調(diào)節(jié)6.2.2 酶合成的調(diào)節(jié)6.3 微生物次級代謝與調(diào)節(jié)6.3.1 微生物次級代謝的特征6.3.2 次級代謝產(chǎn)物的類型6.3.3 次級代謝物生物合成原理6.4 微生物次級代謝作用的調(diào)控6.4.1 微生物的次級代謝與其生命活動的關(guān)系6.4.2 次級代謝產(chǎn)物生物合成的調(diào)節(jié)與控制6.4.3 基因工程在提高生產(chǎn)性能上的應(yīng)用第7章 生物反應(yīng)過程的控制第8章 生物反應(yīng)過程計算機控制參考文獻

章節(jié)摘錄

　　對生物反應(yīng)過程進行有效的操作和控制，首先需要了解生物反應(yīng)過程的狀態(tài)變化，也就是要了解反應(yīng)過程的各種信息。這些信息可以分為物理變量信息（如發(fā)酵溫度）、化學(xué)變量信息（如pH值）以及生物變量信息，如生物質(zhì)濃度等。由于生物反應(yīng)過程的特殊性，許多生物變量的傳感器至今還在研究過程中，因此，影響了這些反應(yīng)過程重要變量的測量。本章在介紹生物反應(yīng)過程重要物理參數(shù)檢測方法的同時，著重對檢測中應(yīng)用的傳感器及測量儀表的原理和結(jié)構(gòu)進行較詳細的論述?！　∩锓磻?yīng)過程中，可把檢測分成在線檢測（on-linemeasurement）和離線檢測（Off-linemeasurement）。前者是儀器的電極等可直接與反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基接觸或可連續(xù)從反應(yīng)器中取樣進行分析測定，如發(fā)酵液的溶氧濃度、pH值及溫度、罐壓等；而離線檢測是從反應(yīng)器中取樣出來，然后用儀器分析和化學(xué)分析等方法進行檢測?！　ι锓磻?yīng)過程的控制來講，在線檢測是首選方式，便于用計算機等直接對給出的參數(shù)值進行分析比較而實現(xiàn)自動控制或優(yōu)化控制。當(dāng)然，在線測定要求所用的傳感器能耐受蒸汽加熱滅菌，有較高的精度和穩(wěn)定性且響應(yīng)時間不能太長。而最常用的檢測儀原理如圖2．1．1所示。　　生物反應(yīng)過程大多是純培養(yǎng)，必須杜絕雜菌污染，所以無菌操作十分重要。同時，無論是在線檢測或取樣分析，均應(yīng)盡可能不影響反應(yīng)器系統(tǒng)的運行狀態(tài)。例如，采用滅菌的微孔陶瓷管或滲透膜管置于反應(yīng)器內(nèi)，可連續(xù)在線無菌取樣檢測，如圖2．1．2所示。　　對于揮發(fā)性物質(zhì)的檢測，如酒精發(fā)酵過程發(fā)酵液中乙醇含量測定，可采用微孔管在線取樣檢測法（tubingmethod），其取樣管及原理如圖2．1．3所示。浸沒在發(fā)酵液中的微孔管．的材料為聚四氟乙烯，故可耐受反復(fù)加熱滅菌；同時，由于是疏水性材料，故發(fā)酵液不會通過微孔而進人管中。但發(fā)酵液中的揮發(fā)性成分如乙醇，則可透過管壁微孔，與管中流通的惰性氣體（如氮氣）混合輸送到發(fā)酵罐外，進人氣相色譜儀進行該揮發(fā)成分的檢測?！　￡P(guān)于生物反應(yīng)過程的有關(guān)參數(shù)，在第1章1．3中對主要參數(shù)已作了介紹，表2．1．1列舉了目前已成熟的或待發(fā)展的一些參數(shù)項目。

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