具体描述
《生物化学工程》 一、学科定位与核心内容 《生物化学工程》是一门融合了生物学、化学、工程学以及计算机科学等多学科知识的交叉学科。其核心在于运用工程学的原理和方法，对生物过程进行设计、优化、放大和控制，以实现高效率、低成本、环境友好的生物产品生产。本书深入探讨了生物反应器设计与操作、分离纯化技术、过程控制与自动化、以及生物过程的经济性与可持续性等关键领域。 二、生物反应器设计与操作 本书详细阐述了各类生物反应器的基本原理、结构特点、操作模式及其适用范围。从经典的搅拌釜式反应器（CSTR）、固定床反应器（PFR），到更具创新性的膜反应器、气升式反应器、流化床反应器等，均进行了深入分析。重点关注了传质、传热、混合效率等影响生物过程性能的关键因素，并介绍了微生物生长动力学、酶动力学等模型在反应器设计与放大中的应用。读者将学习如何根据特定的生物转化目标和微生物特性，选择最合适的反应器类型，并对其操作参数进行优化，以最大化产率和生产效率。 三、分离与纯化技术 生物过程产生的目标产物往往与大量细胞、培养基成分、副产物等混合在一起，因此高效的分离纯化是获得高纯度生物产品的关键步骤。本书系统介绍了多种下游处理技术，包括： 固液分离： 离心、过滤（微滤、超滤、纳滤）、沉降等技术，用于去除悬浮固体。 细胞破碎： 机械法（均质机、球磨）、化学法（溶剂、去污剂）、物理法（超声波）等，用于释放细胞内产物。 层析技术： 离子交换层析、亲和层析、疏水层析、尺寸排阻层析等，是实现高分辨率分离的关键手段。 膜分离技术： 超滤、纳滤、反渗透等，用于浓缩、脱盐和除菌。 结晶与沉淀： 利用溶解度差异进行产物分离。 萃取： 液液萃取，用于分离特定溶解度的产物。 本书不仅介绍这些技术的原理，还深入分析了它们在实际生产中的应用案例，以及如何根据产物的性质和要求，设计合理的分离纯化工艺流程，实现经济高效的目标产物提取。 四、过程控制与自动化 为了保证生物过程的稳定性和重现性，以及实现最优化的生产，有效的过程控制与自动化至关重要。本书介绍了生物反应器操作过程中的关键参数，如温度、pH、溶解氧、搅拌速率、进料速率等，以及如何通过各种传感器和控制系统进行实时监测和调节。内容涵盖了： 反馈控制与前馈控制： 介绍PID控制等经典控制策略。 模型预测控制（MPC）： 利用数学模型预测过程行为并制定最优控制策略。 生物传感技术： 用于实时监测生物过程的特定组分或状态。 数据采集与处理： 介绍如何利用计算机系统收集、存储和分析生产数据。 过程分析技术（PAT）： 强调在线监测和实时控制在提高过程质量和效率方面的作用。 本书旨在帮助读者理解生物过程控制的原理，掌握自动化控制系统的设计与应用，从而实现生物生产过程的智能化和高效化。 五、经济性与可持续性 生物化学工程不仅关注技术可行性，更要兼顾经济效益和环境可持续性。本书将引导读者思考如何通过工艺优化、原料选择、能源利用效率提升、废弃物处理与资源化等方式，降低生产成本，减少对环境的影响。将涉及： 成本效益分析： 评估不同工艺路线的经济可行性。 生命周期评估（LCA）： 分析产品从原料获取到最终处置的整个生命周期对环境的影响。 绿色化学原则在生物工程中的应用： 强调使用可再生原料、减少溶剂使用、设计环境友好的生产工艺。 生物炼制概念： 探讨如何从生物质中高效、多产品地提取有价值的物质。 通过对这些方面的深入探讨，本书旨在培养读者在生物产品开发和生产中，不仅追求技术上的卓越，更能体现经济和社会责任感，推动生物产业的可持续发展。
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