發酵過程解析、控制與檢測技術

第一章 緒論
第一節 發酵過程的特點以及發酵過程的操作、控制、優化的基本特征
第二節 發酵工程技術在整體發酵工程中的定位
第三節 發酵過程控制的主要研究內容和要解決的問題
一、發酵過程優化實現的順序和條件
二、實現發酵過程控制和優化的硬軟件技術支撐
第四節 發酵過程的狀態變量、操作變量和可測量變量
第五節 用于發酵過程控制和優化的各類模型
第六節 發酵過程控制概論
一、傳統的發酵過程控制系統
二、展望——新型、集約式發酵過程控制系統
參考文獻
第二章 生物過程參數在線檢測技術
第一節 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 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 發酵罐內氧氣和二氧化碳分壓的測量以及呼吸代謝參數的計算
一、氧分析儀
二、尾氣CO分壓的檢測
三、呼吸代謝參數的計算
第四節 發酵罐內氧氣體積傳質系數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、動態測定法
五、取樣極譜法
六、復膜電極測定KLa
第五節 發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 生物傳感器在發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、發酵罐器內一級代謝產物(乙醇、有機酸等)濃度的在線測量
參考文獻
第三章 發酵過程控制系統和控制設計原理及應用
第一節 過程的狀態方程式
第二節 發酵過程的基礎數學模型
一、發酵過程最基本的合成和代謝分解反應
二、發酵過程典型的數學模型形式
三、發酵過程的各種得率系數和各種比反應速率模型的表現形式
四、生物反應器的基本操作方式
五、發酵過程狀態方程式在“理想操作點”近旁的線性化
第三節 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的拉普拉斯變換
三、反拉普拉斯變換
四、有理函數的反拉普拉斯變換
五、過程的傳遞函數GP(s)——線性狀態方程式的拉普拉斯函數表現形式
六、過程傳遞函數的框圖和轉換
七、過程輸出對于輸入變量階躍式變化的響應特性
第四節 過程的穩定性分析
一、過程穩定的判別標準
二、過程在平衡點（特異點）近旁的穩定特性分類
第五節 發酵過程的前饋控制
一、過程前饋控制簡介
二、前饋控制在流加發酵過程中的應用
第六節 發酵過程的反饋控制
第七節 PID反饋控制系統的構成和性能特征
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 PID反饋控制系統的解析和設計
一、反饋控制系統的穩定性分析
二、反饋控制系統的設計和參數調整
三、開關反饋控制
第九節 反饋控制系統在發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控制——DO?Stat法
二、以pH變化為反饋指標的流加培養控制——pH?Stat法
三、以RQ為反饋指標的發酵過程控制
四、直接以底物濃度為反饋指標的發酵過程控制
五、以代謝副產物濃度為反饋指標的流加培養控制
六、在線測量可測狀態變量間接推定和控制谷氨酸發酵糖濃度、提高發酵性能
【習題】
【解答】
參考文獻
第四章 發酵過程的最優化控制
第一節 最優化控制的研究內容、表述、特點和方法
第二節 最大原理及其在發酵過程最優化控制中的應用
一、最大原理及其算法簡介
二、利用最大原理確定流加培養過程的最優基質流加策略和方式
三、最大原理數值解法及其在發酵過程最優化控制中的應用簡介
第三節 格林定理及其在發酵過程最優化控制中的應用
一、格林定理
二、利用格林定理求解流加培養（發酵）的最短時間軌道問題
三、格林定理在乳酸菌過濾培養最優化控制中的應用
第四節 遺傳算法及其在發酵過程最優化控制中的應用
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的最優化控制中的應用
【習題】
【解答】
參考文獻
第五章 發酵過程的建模和狀態預測
第六章 發酵過程的在線自適應控制
第七章 人工智能控制
第八章 利用代謝網絡模型的過程控制和優化
第九章 發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

中國20世紀早期的發酵工業多限于厭氧發酵產品的生產，如乙醇、丙酮、丁醇及釀酒等。20世紀40年代初，需氧的青霉素發酵在多學科學者的通力協作下，在美國投人了工業化生產。關于從自然界篩選和優化菌種的方法，以及需氧發酵過程中諸多規律性研究成果——《生化工程學》也伴隨而生。這標志著現代發酵工業新紀元的開始。它不但以很快的速度催生了多系列的需氧發酵產業，同時也使原有的厭氧發酵業界受益匪淺。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青霉素。如今中國是青霉素的生產大國，並具有多家綜合性大型抗生素廠，醫用抗生素種類基本齊全，但半合成頭孢菌素的生產能力不足。

氨基酸 中國用微生物發酵法代替面筋酸水解法工業化生產谷氨酸，于1964年在上海投產。現在幾乎全部的L氨基酸都可用發酵法生產；只有少數幾種氨基酸采用固定化菌體（黴）催化不刈稱水解化學合成的DL氨基酸-N- 化衍生物的方法，實現光學拆分，最終獲得高得率的L-氨基酸。

黴制劑 中國的微生物黴制劑發酵工業于1965年在無錫首先投產。當時品種雖少．但相關工業行業受益頗豐。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黴基因工程菌投人工業使用之後，國外大型黴制劑生產公司的基因工程菌黴制劑于20世紀90年代中期進人中國，並建立了控股公司或獨資公司，銷售3個等級10多個系列的產品。

有機酸 中國用發酵法生產有機酸是20世紀80年代興起的。以檸檬酸、L-乳酸、L-隻果酸和衣康酸等為主。其中檸檬酸產量居世界第二位，年出口額2億美元以上，為世界第一，也是中國化工行業單項出口額最大的產品。

維生素 維生素發酵在我國起步較早，已形成規模化生產的主要是維生素B12、維生素B，和維生素C。中國科學家于20世紀70年代末期發明的雙菌協同發酵生物合成維生素C的“二步發酵法”，一舉取代了沿用近半個世紀的“萊氏化學合成法”，成為當今國際通用的維生素C生產法。中國已成為維生素C的生產大國，也是技術強國。

燃料乙醇 汽油中添加10％～15％的無水乙醇可獲得良好的抗震性，乙醇的助燃性可明顯降低汽車尾氣對城市的大氣污染。中國多省已法定在車用汽油中添加定量無水乙醇，全國大有跟進之勢，因而燃料乙醇業有望成為中國最大的發酵產業之一。生產燃料乙醇所消耗的能量大于產出燃料乙醇的能量，是國際上多年來尚未攻克的難題。

釀酒工業 以大曲酒為代表的蒸餾酒傳承著中國獨有的釀造文化和歷史，不同的香型和口感具有明顯的產地特征，造就了不少馳名中外的名牌。啤酒源于外國，但近十余年來國內啤酒業已經實現了集約化和現代化，產量位居世界第二。如今釀酒工業的年產值逾千億元。

當前，中國發酵工業多數產品的技術經濟指標均落後于國際先進水平。特別是產品的分離純化技術進步不快，高純度等級產品的產量低、成本高。以氨基酸、黴制劑為例，盡管中國不乏優良的生產菌株，可是高純度等級的產品需要進口。要扭轉這種局面，從業人員的繼續學習是必由之路。另外，優良的生產菌種是發酵工業的源頭，菌種又是在生產過程和環境中極易流失的資源。期待這種產權盡快得到切實、有力的保護，以促進跨學科間的協作。

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