圖書信息
發酵過程解析、控制與檢測技術（第二版）
所屬類別
科技 >> 生物 >> 生物技術
作者：史仲平、潘豐 編著
叢書名：現代發酵工程叢書
出版日期：2010年2月 書號：978-7-122-07121-7
開本：16 裝幀：平 版次：2版1次 頁數：243頁
內容簡介
本書對發酵過程解析、控制與最佳化的關鍵技術和方法進行了比較系統和詳細的介紹和總結。在歸納總結編著者原創性成果的基礎上，充分借鑑國內外同行的研究成果，結合具體發酵過程實例，詳細介紹了一些處於前沿、先進的發酵工程技術，如發酵過程線上檢測技術、線上自適應控制和最最佳化控制技術，特別是引入模糊邏輯推理、人工神經網路、代謝網路模型等技術的過程控制和最佳化、狀態預測、模式識別、故障診斷的新方法。
圖書目錄
第一章緒論1
第一節發酵過程的特點以及發酵過程的操作、控制、最佳化的基本特徵1
第二節發酵工程技術在整體發酵工程中的定位2
第三節發酵過程控制的主要研究內容和要解決的問題3
一、發酵過程最佳化實現的順序和條件4
二、實現發酵過程控制和最佳化的硬軟體技術支撐4
第四節發酵過程的狀態變數、操作變數和可測量變數5
第五節用於發酵過程控制和最佳化的各類模型6
第六節發酵過程控制概論6
一、傳統的發酵過程控制系統7
二、展望——新型、集約式發酵過程控制系統8
參考文獻10
第二章生物過程參數線上檢測技術11
第一節pH的線上測量12
一、pH感測器的工作原理12
二、pH感測器的使用13
第二節溶解氧濃度的線上測量16
一、溶解氧濃度測量原理16
二、溶解氧電極17
三、溶解氧電極的使用18
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19
一、氧分析儀19
二、尾氣CO2分壓的檢測21
三、呼吸代謝參數的計算21
第四節發酵罐內氧氣體積傳質係數KLa的測量25
一、亞硫酸鹽氧化法25
二、溶解氧電極法25
三、物料衡算法26
四、動態測定法26
五、取樣極譜法27
六、復膜電極測定KLa28
第五節發酵罐內細胞濃度的線上測量和比增殖速率的計算28
一、菌體濃度的檢測方法及原理28
二、線上雷射濁度計29
第六節生物感測器在發酵過程檢測中的套用30
一、生物感測器的類型和結構原理30
二、發酵罐基質(葡萄糖等)濃度的線上測量33
三、引流分析與控制34
四、發酵罐器內一級代謝產物(乙醇、有機酸等)濃度的線上測量36
參考文獻36
第三章發酵過程控制系統和控制設計原理及套用37
第一節過程的狀態方程式37
第二節發酵過程的基礎數學模型38
一、發酵過程最基本的合成和代謝分解反應38
二、發酵過程典型的數學模型形式41
三、發酵過程的各種得率係數和各種比反應速率模型的表現形式42
四、生物反應器的基本操作方式46
五、發酵過程狀態方程式在“理想操作點”近旁的線性化47
第三節拉普拉斯變換與反拉普拉斯變換49
一、拉普拉斯變換的定義49
二、拉普拉斯變換的基本特性以及基本函式的拉普拉斯變換49
三、反拉普拉斯變換50
四、有理函式的反拉普拉斯變換50
五、過程的傳遞函式GP(s)——線性狀態方程式的拉普拉斯函式表現形式50
六、過程傳遞函式的框圖和轉換50
七、過程輸出對於輸入變數階躍式變化的回響特性51
第四節過程的穩定性分析53
一、過程穩定的判別標準53
二、過程在平衡點（特異點）近旁的穩定特性分類54
第五節發酵過程的前饋控制55
一、過程前饋控制簡介55
二、前饋控制在流加發酵過程中的套用56
第六節發酵過程的反饋控制57
第七節PID反饋控制系統的構成和性能特徵58
一、比例動作58
二、積分動作59
三、微分動作59
四、PID反饋控制器的構成特徵60
第八節PID反饋控制系統的解析和設計60
一、反饋控制系統的穩定性分析60
二、反饋控制系統的設計和參數調整61
三、開關反饋控制63
第九節反饋控制系統在發酵過程控制中的實際套用63
一、以溶解氧濃度變化為反饋指標的流加培養控制——DOStat法63
二、以pH變化為反饋指標的流加培養控制——pHStat法65
三、以RQ為反饋指標的發酵過程控制66
四、直接以底物濃度為反饋指標的發酵過程控制68
五、以代謝副產物濃度為反饋指標的流加培養控制70
六、線上測量可測狀態變數間接推定和控制谷氨酸發酵糖濃度、提高發酵性能71
【習題】73
【解答】78
參考文獻78
第四章發酵過程的最最佳化控制79
第一節最最佳化控制的研究內容、表述、特點和方法79
第二節最大原理及其在發酵過程最最佳化控制中的套用79
一、最大原理及其算法簡介79
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82
三、最大原理數值解法及其在發酵過程最最佳化控制中的套用簡介84
第三節格林定理及其在發酵過程最最佳化控制中的套用87
一、格林定理87
二、利用格林定理求解流加培養（發酵）的最短時間軌道問題87
三、格林定理在乳酸菌過濾培養最最佳化控制中的套用88
第四節遺傳算法及其在發酵過程最最佳化控制中的套用92
一、遺傳算法簡介92
二、遺傳算法的算法概要及其在重組大腸桿菌培養的最最佳化控制中的套用93
【習題】96
【解答】97
參考文獻97
第五章發酵過程的建模和狀態預測98
第一節描述發酵過程的各類數學模型簡介98
一、非構造式動力學模型99
二、代謝網路模型99
三、基於線上時間序列數據的自回歸平均移動模型99
四、人工神經網路模型99
五、正交或多項式回歸模型99
第二節非構造式動力學數學模型的建模方法100
一、利用非線性規劃法確定非構造式動力學數學模型的模型參數100
二、利用遺傳算法確定過程模型參數103
第三節利用人工神經網路建模和預測發酵過程的狀態104
一、神經細胞和人工神經網路模型105
二、人工神經網路模型的類型106
三、人工神經網路的誤差反向傳播學習算法簡介107
四、利用人工神經網路線上識別發酵過程的生理狀態和濃度變化模式108
五、基於人工神經網路的發酵過程狀態變數預測模型109
六、基於人工神經網路的非線性回歸模型111
七、結合使用人工神經網路模型和遺傳算法的過程靜態最佳化113
【習題】114
【解答】114
參考文獻114
第六章發酵過程的線上自適應控制116
第一節基於線上時間序列輸入輸出數據的自回歸移動平均模型及其解析117
一、自回歸移動平均模型117
二、利用逐次最小二乘回歸法計算確定自回歸移動平均模型的模型參數118
第二節基於自回歸移動平均模型的線上自適應控制120
一、“極配置” 型的線上自適應控制系統120
二、“最優控制”型的線上自適應控制系統121
三、酵母菌流加培養過程的比增殖速率線上自適應最優控制122
四、乳酸連續過濾發酵過程的線上自適應控制124
第三節基於自回歸移動平均模型的線上最最佳化控制127
一、麵包酵母連續生產的線上最最佳化控制127
二、乳酸連續過濾發酵的線上最最佳化控制129
第四節基於遺傳算法的線上最最佳化控制132
一、利用遺傳算法實時線上跟蹤和更新非構造式動力學模型的參數133
二、結合使用最大原理和遺傳算法的線上最最佳化控制134
【習題】136
【解答】136
參考文獻136
第七章人工智慧控制137
第一節模糊邏輯控制器137
一、模糊邏輯控制器的特點和簡介137
二、模糊語言數值表現法和模糊成員函式138
三、模糊規則142
四、模糊規則的執行和實施——解模糊規則的方法143
五、模糊邏輯控制系統的構成、設計和調整145
第二節模糊邏輯控制系統在發酵過程中的實際套用147
一、谷氨酸流加發酵過程的模糊控制147
二、輔酶Q10發酵生產過程的模糊控制150
三、模糊推理技術在發酵過程線上狀態預測中的套用154
第三節基於人工神經網路的控制系統及其在發酵過程中的套用157
一、模糊神經網路控制系統及其在發酵過程中的套用157
二、基於DO/pH線上測量和智慧型型模式識別模型的發酵過程控制系統
（ANNPRCtrl）161
【習題】171
【解答】172
參考文獻172
第八章利用代謝網路模型的過程控制和最佳化173
第一節代謝網路模型解析173
一、代謝網路模型的簡化、計算和求解174
二、利用代謝網路模型的狀態預測178
第二節網路信號傳遞線圖和利用網路信號傳遞線圖的代謝網路模型179
一、網路信號傳遞線圖及其簡化179
二、利用代謝信號傳遞線圖處理代謝網路181
三、利用網路信號傳遞線圖的代謝網路分析182
第三節利用代謝網路模型的發酵過程線上狀態預測183
一、代謝網路模型在賴氨酸發酵過程線上狀態預測中的套用183
二、基於代謝網路模型的谷氨酸發酵線上狀態預測186
第四節基於代謝網路模型的發酵過程最佳化控制193
一、基於代謝流分析的谷氨酸發酵代謝平衡最佳化控制193
二、利用基於代謝流分析的兩段複合型供氧控制方式最佳化精氨酸代謝發酵200
三、利用基因組學和蛋白組學數據改進優選代謝網路模型為過程最佳化服務206
【習題】209
【解答】210
參考文獻211
第九章發酵過程的多變數聚類分析和故障診斷/早期預警212
第一節發酵過程多變數聚類分析和故障診斷簡介212
第二節自我聯想神經網路模型在發酵過程故障診斷中的套用214
一、基於自我聯想神經網路模型的谷氨酸發酵故障診斷和早期預警214
二、基於自我聯想神經網路模型的維及黴素發酵生產故障診斷和早期預警218
第三節畢赤酵母高密度流加培養生產表達豬α干擾素過程的多變數聚類分析和故障診斷222
參考文獻228
第十章計算機在生化反應過程控制中的套用229
第一節過程工業的特點和計算機控制229
一、過程工業的特點229
二、數字計算機在過程控制中套用概述230
第二節集散控制系統及接口技術232
一、集散控制系統簡介232
二、集散控制系統的特點233
三、過程接口技術234
第三節檸檬酸發酵過程計算機控制系統設計236
一、系統結構設計237
二、組態軟體設計237
三、系統功能設計238
四、系統控制算法及最佳化238
第四節青黴素髮酵過程專家控制系統239
一、青黴素髮酵過程的特點和控制上的困難239
二、青黴素髮酵過程專家控制系統240
三、系統運行情況243
參考文獻243
