具体描述
The purpose of this volume is to describe the components, assembly, and implementation of computer-based process control systems. Presented in two sections, it illustrates how such systems have been used to monitor and control industrial fermentation processes as a means to improve our understanding of product biosynthesis. This book covers the fields of indirect parameter estimation and fermentation-specific control algorithms. It also includes chapters which describe system architecture and process application, process control, on-line liquid sampling and computer system architecture. This is an ideal source for anyone involved with biotechnology, bioengineering, microbial technology, chemical engineering, and computer control.
《发酵过程中的精细调控：从原理到实践》 简介 在蓬勃发展的生物技术和工业发酵领域，对发酵过程的精准控制是实现高效生产、稳定品质和可持续发展的关键。本书《发酵过程中的精细调控：从原理到实践》深入剖析了现代发酵过程中所涉及的各项关键控制技术，旨在为相关领域的科研人员、工程师、技术人员以及学生提供一本全面、深入且实用的参考书。本书不仅阐述了发酵过程控制的理论基础，更着重于实际应用，通过详细的案例分析和技术介绍，引导读者掌握从实验设计到工业化生产的完整控制策略。 核心内容概述 本书共分为十二章，系统地涵盖了发酵过程控制的各个重要环节： 第一章：发酵过程基础理论回顾 在深入探讨控制技术之前，本章首先对发酵过程的基本原理进行系统梳理。内容包括微生物生长的基本模型（如Monod方程）、代谢途径与产物生成的关系、发酵介质的设计原则、氧气传递与利用（OTR, OUR）、二氧化碳移除、pH值变化机理以及温度对微生物生长和代谢的影响。本章旨在为读者建立一个扎实的发酵过程基础知识体系，为后续章节的控制策略理解打下坚实基础。重点强调了在不同发酵阶段（延滞期、指数生长期、稳定期、衰亡期）的生理特征和代谢活动差异，以及这些差异如何影响过程控制的需求。 第二章：发酵过程参数监测与测量技术 精准的监测是有效控制的前提。本章详细介绍了发酵过程中常见的关键参数及其测量方法。这包括： 在线监测技术： 深入探讨了pH传感器、溶解氧（DO）传感器、温度传感器、电导率传感器、液位传感器等的核心原理、选择标准、校准方法以及潜在的误差来源。特别关注了高密度发酵和厌氧发酵中DO监测的挑战与解决方案。 离线分析技术： 介绍了用于测定底物浓度（如葡萄糖、氨基酸）、产物浓度（如乙醇、有机酸、抗生素、酶）、细胞生物量（OD值、干重）、代谢副产物等的技术，包括高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）、酶联免疫吸附测定（ELISA）、比色法、干湿重法等。 高级监测手段： 引入了光谱技术（如近红外光谱NIR、拉曼光谱）在发酵过程中的应用，以及其优势和局限性。还探讨了生物传感器在特定发酵产物或代谢物实时监测中的最新进展。 第三章：发酵过程的基本控制策略 本章聚焦于发酵过程中最基本的控制策略，即对关键物理和化学参数的稳定控制。 温度控制： 详细阐述了恒温水浴、加热/冷却夹套、热交换器等在发酵罐中的应用，以及 PID 控制器在维持恒定温度中的作用。讨论了不同温度对微生物生长速率、产物产量和质量的影响。 pH 控制： 介绍了酸碱添加剂的选择、pH传感器的定位、自动滴定系统的组成以及 PID 控制器在维持最佳 pH 值方面的应用。分析了不同 pH 值对酶活性、产物稳定性和微生物细胞膜完整性的影响。 搅拌与通气控制： 深入探讨了搅拌器类型、转速、气泡尺寸与搅拌效率的关系，以及它们对氧气传递速率（KLa）的影响。介绍了恒定搅拌速率、可变搅拌速率以及与 DO 联动的搅拌控制策略。同时，详细阐述了通气速率控制、空气分配方式以及如何根据 DO 值自动调节通气量。 泡沫控制： 分析了发酵过程中泡沫产生的原因（如蛋白质、表面活性剂），介绍了消泡剂的选择、添加时机和方式，以及基于液位或声波的自动消泡控制系统。 第四章：氧气传递与利用的控制 氧气作为许多好氧发酵的关键因素，其传递和利用的有效控制对生产至关重要。 氧气传递机理： 详细阐述了气液两相的传质过程，包括气相扩散、液相扩散以及气泡表面传质。 氧气传递速率 (KLa) 的影响因素： 深入分析了搅拌速率、通气速率、气体性质、液体粘度、发酵罐几何形状等因素对 KLa 的影响。 溶解氧 (DO) 的控制策略： 重点介绍了恒定 DO 控制、分段 DO 控制以及基于模型预测的 DO 控制策略。探讨了高密度发酵和高粘度发酵中 DO 控制的难点与解决方案。 氧气消耗速率 (OUR) 的监测与利用： 介绍了 OUR 的测量方法，以及将其与 OUR 联动的通气和搅拌控制策略，以确保细胞获得充足的氧气供应。 第五章：底物与产物的反馈控制 本章将控制的焦点从物理参数转移到底物和产物的动态调控。 底物补料策略： 详细介绍了恒速补料、指数补料、按需补料（fed-batch）等策略。讨论了不同补料策略在避免底物抑制、维持细胞活性和提高产物产量方面的优势。 基于生物反应器的模型预测控制： 引入了简单的发酵模型，并利用模型预测未来状态，从而优化补料速率。 产物移除策略： 探讨了在线产物移除技术（如萃取、吸附、膜分离）如何减轻产物抑制，提高产物收率和纯度，并介绍了相应的控制方法。 副产物控制： 分析了关键副产物的生成机理，并提出相应的控制措施，如通过调节底物浓度、pH 或温度来抑制有害副产物的生成。 第六章：发酵过程的先进控制策略 本章将介绍更复杂、更智能的发酵过程控制方法。 模型预测控制 (MPC)： 深入阐述了 MPC 的原理，包括建立过程模型、预测未来输出、计算优化控制输入。重点讨论了 MPC 在多变量耦合控制（如温度、pH、DO、补料同步控制）中的应用。 模糊逻辑控制 (FLC)： 介绍了模糊逻辑的基本概念，以及如何利用模糊规则实现对复杂、非线性发酵过程的鲁棒控制。 神经网络与机器学习在控制中的应用： 探讨了如何利用神经网络和机器学习算法学习发酵过程的动态行为，并用于预测、优化和控制。重点关注了其在识别非线性关系、处理大数据和实现自适应控制方面的潜力。 多尺度建模与控制： 介绍了如何结合宏观（发酵罐）和微观（细胞内部）模型，实现更全面的过程理解和控制。 第七章：发酵过程的自动化与信息化 本章关注如何将发酵过程的控制实现自动化和信息化管理。 传感器网络与数据采集系统 (SCADA)： 介绍了 SCADA 系统的架构、功能以及在发酵过程数据采集、存储和可视化中的作用。 分布式控制系统 (DCS)： 探讨了 DCS 在大型发酵工厂中的应用，以及其在集中管理和协同控制方面的优势。 制造执行系统 (MES) 与企业资源规划 (ERP) 的集成： 阐述了 MES 和 ERP 系统如何与发酵过程控制系统集成，实现生产计划、物料管理、质量追溯和生产报告的自动化。 工业物联网 (IIoT) 与大数据分析： 介绍了 IIoT 技术如何连接发酵过程中的各种设备，以及如何利用大数据分析优化过程性能。 第八章：特定发酵过程的控制案例分析 本章通过具体的工业发酵案例，展示了前述控制理论和技术的实际应用。 抗生素发酵控制： 以青霉素或链霉素发酵为例，分析其关键控制点，如初始接种、底物补料策略、氧气供应与利用、pH 控制以及产物生成期的调控。 酶制剂发酵控制： 以工业酶（如淀粉酶、蛋白酶）发酵为例，重点关注细胞生长与产酶速率的平衡，以及如何通过控制温度、pH 和补料来实现高产。 单细胞蛋白 (SCP) 发酵控制： 探讨了 SCP 发酵对营养物质、氧气和能量的需求，以及如何通过优化发酵条件来提高细胞产量和质量。 生物燃料发酵控制： 以乙醇或丁醇发酵为例，分析了底物转化效率、产物抑制以及如何通过控制温度、pH 和通气来最大化产量。 第九章：发酵过程的优化与放大 本章将讨论如何通过优化控制策略，实现发酵过程的效率提升和规模化生产。 实验设计 (DoE) 在发酵过程优化中的应用： 介绍了如何利用 DoE 来系统地研究多个因素对发酵性能的影响，并找到最佳的工艺参数组合。 发酵过程放大中的挑战与对策： 探讨了从实验室规模到工业规模放大过程中，氧气传递、混合效率、热量移除等方面的挑战，以及相应的工程解决方案。 过程分析技术 (PAT) 的应用： 阐述了 PAT 如何通过实时监测和控制来理解和优化发酵过程，从而提高产品质量和生产效率。 第十章：发酵过程的风险评估与质量控制 本章关注发酵过程中的安全性和产品质量保证。 微生物污染的预防与控制： 介绍了无菌操作技术、灭菌方法、抗生素的使用策略以及如何监测和应对潜在的微生物污染。 发酵过程中的安全风险： 讨论了生物安全、化学安全以及设备安全等方面的风险，并提出相应的防范措施。 产品质量的保证与追溯： 介绍了 GMP (Good Manufacturing Practice) 原则在发酵生产中的应用，以及如何建立完善的产品质量检测和追溯体系。 批次间差异的控制与管理： 分析了导致批次间差异的原因，并提出了相应的控制和管理策略，以确保产品质量的稳定性。 第十一章：发酵过程的经济性分析与可持续性 本章从经济和环境角度审视发酵过程的优化。 成本控制与效益分析： 探讨了原材料成本、能源消耗、人工成本、设备折旧等对发酵过程经济性的影响，并提出降低成本的策略。 能源效率优化： 分析了发酵过程中主要的能源消耗环节，如搅拌、加热/冷却、通气等，并提出节能技术和方法。 废物处理与资源化利用： 探讨了发酵废弃物的处理方式，以及如何将废弃物转化为有价值的副产品，实现循环经济。 绿色发酵技术的进展： 介绍了生物质利用、合成生物学等在实现可持续发酵方面的最新进展。 第十二章：未来发展趋势与挑战 本书的最后一章展望了发酵过程控制的未来发展方向。 人工智能与深度学习在发酵过程控制中的深度融合： 预测 AI 将在更复杂的模型建立、实时优化和故障诊断方面发挥更大作用。 生物传感器技术的革新： 展望更灵敏、更特异、更稳定的新型生物传感器，以实现更精细的实时监测。 合成生物学与自动化发酵的结合： 探讨如何通过工程菌株设计和自动化平台，实现更高效、更灵活的发酵生产。 数字孪生技术在发酵过程管理中的应用： 预见数字孪生将为发酵过程的模拟、预测和优化提供强大的工具。 面对环境法规和可持续发展目标的挑战： 讨论了发酵行业如何在日益严格的环境法规下，实现绿色、低碳和可持续发展。 《发酵过程中的精细调控：从原理到实践》力求成为一本理论与实践并重、系统性与前瞻性兼具的专业著作，为发酵领域的发展提供坚实的理论指导和实用的技术支持。
作者简介
目录信息
读后感
评分
评分
评分
评分
评分
用户评价
评分
评分
评分
评分
评分
相关图书
本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息，本站不存储任何数据与内容，任何内容与数据均与本站无关，如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度，google,bing,sogou 等
© 2026 book.quotespace.org All Rights Reserved. 小美书屋 版权所有