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1固态发酵生物反应器基本原理：引言和综述1

1.1什么是固态发酵？1

1.2为什么对固态发酵感兴趣？2

1.3固态发酵的当前及潜在应用4

1.4为什么我们需要一本关于固态发酵生物反应器基本原理的书？5

1.5本书的组织结构6

1.5.1固态发酵和生物反应器的介绍6

1.5.2不同类型固态发酵生物反应器的介绍7

1.5.3固态发酵生物反应器建模的基本原理7

1.5.4固态发酵生物反应器建模案例研究8

1.5.5固态发酵生物反应器的关键问题9

1.5.6结束语9

深入阅读9

2固态发酵生物反应器：现象间的复杂交互作用10

2.1对固态发酵定性理解的需要10

2.2固态发酵过程的一般步骤10

2.3固态发酵过程中的生物反应器12

2.4固态发酵生物反应器系统的物理结构14

2.4.1固态发酵生物反应器各部分的宏观观测14

2.4.2基质床层的微观观测16

2.5发酵过程的动态观测17

2.5.1以s/min为时间尺度的动态观测17

2.5.2以h/d为时间尺度的动态观测19

2.6小结23

深入阅读23

3固态发酵生物反应器介绍25

3.1引言25

3.2生物反应器的选择和设计：一般问题26

3.2.1关键问题26

3.2.2其他问题27

3.3生物反应器类型概述28

3.3.1各种生物反应器的基本设计特征29

3.3.2操作变量概述30

3.4生物反应器选择指南31

深入阅读32

4固态发酵生物反应器中热质传递的基本原理34

4.1引言34

4.2生物反应器的总体平衡34

4.3生物反应器内部的详细观察35

4.3.1生物反应器子系统内部现象35

4.3.2基质床层作为单一拟均相时的子系统间的传递38

4.3.3基质床层被视为两个独立相时的子系统间的传递39

4.3.4整体气体流型及压降40

4.3.5固体颗粒搅拌床的混合模式41

深入阅读42

5固态发酵生物反应器放大的挑战44

5.1引言44

5.2液态发酵和固态发酵面临的大型化挑战44

5.3尺度放大复杂的原因45

5.4固态发酵生物反应器放大的方法48

深入阅读49

6第Ⅰ类：无通风、无搅拌型生物反应器50

6.1盘式生物反应器的基本特征、设计和操作变量50

6.2现代过程中袋装系统的使用51

6.3盘式生物反应器中的热量和物质传递51

6.3.1托盘内的氧气分布曲线52

6.3.2托盘内的温度分布曲线53

6.3.3托盘动态模拟的启示54

6.4小结58

深入阅读58

7第Ⅱ类：强制通风、无搅拌型生物反应器59

7.1引言59

7.2填充床生物反应器的基本特点、设计和操作变量59

7.3填充床操作的实验研究62

7.3.1大型填充床62

7.3.2中试规模填充床64

7.3.3实验室规模填充床64

7.4小结71

深入阅读72

8第Ⅲ类：转鼓和搅拌鼓生物反应器73

8.1引言73

8.2第Ⅲ类生物反应器的基本特点、设计和操作变量73

8.3第Ⅲ类生物反应器操作的实验研究76

8.3.1工业化应用76

8.3.2中试规模应用76

8.3.3小试规模应用78

8.4第Ⅲ类生物反应器中搅拌和传递现象的研究81

8.4.1转鼓中的固体流型81

8.4.2转鼓顶空的气体流型85

8.5小结87

深入阅读89

9第IⅣa类：连续搅拌、强制通风型生物反应器90

9.1引言90

9.2第Ⅳa类生物反应器的基本特征、设计和操作变量90

9.3连续搅拌、强制通风型生物反应器的应用91

9.3.1带机械搅拌器的搅拌床91

9.3.2气固流化床95

9.3.3自身运动引起搅拌的生物反应器97

9.4第Ⅳa类生物反应器中混合和传递现象98

9.5小结100

深入阅读101

10第Ⅳb类：强制通风、间歇搅拌型生物反应器102

10.1引言102

10.2第Ⅳb类生物反应器的基本特征102

10.3第Ⅳb类生物反应器性能的实验研究103

10.3.1大型间歇搅拌式生物反应器104

10.3.2中试规模的间歇搅拌式生物反应器107

10.3.3实验规模的间歇搅拌式生物反应器109

10.4第Ⅳb类生物反应器中的混合和传递现象109

10.5小结111

深入阅读111

11连续固态发酵生物反应器112

11.1引言112

11.2连续固态发酵生物反应器的基本特点112

11.2.1设备112

11.2.2流型：实际流动模型116

11.3连续与分批操作模式的比较117

11.3.1上下游操作投资的减少117

11.3.2分批与连续生物反应器的产品均匀性118

11.3.3生产率的提高119

11.3.4污染119

11.4三种连续流固态发酵生物反应器的模拟比较120

11.4.1再循环连续管流式生物反应器121

11.4.2连续转鼓生物反应器122

11.4.3连续搅拌罐生物反应器123

11.4.4对各种连续流固态发酵生物反应器的评价124

11.5连续流固态发酵生物反应器的科学技术挑战126

深入阅读126

12固态发酵生物反应器的建模方法127

12.1什么是模型，为什么要模拟固态发酵生物反应器？127

12.2用模型来设计和优化固态发酵生物反应器128

12.2.1实验室中的初始研究129

12.2.2使用现有生物反应器模型为放大工具129

12.2.3模型在控制方案中的应用130

12.3模型剖析131

12.4生物反应器建模的七个步骤133

12.4.1第1步：了解你想要得到什么以及你愿为此付出的努力133

12.4.2第2步：绘制细节适宜的系统图，明确提出假设136

12.4.3第3步：写出方程137

12.4.4第4步：估算参数并确定操作变量的值137

12.4.5第5步：求解模型138

12.4.6第6步：验证模型139

12.4.7第7步：应用模型141

深入阅读141

13固态发酵生物反应器建模的复杂程度142

13.1固态发酵生物反应器模型复杂程度的确定142

13.2描述生长动力学的详细程度142

13.2.1生长的决定因素142

13.2.2微观描述生物量的空间分布是否值得？144

13.2.3动力学子模型的典型特征144

13.3描述传递过程的详细程度144

13.4目前快速求解模型的可用性146

13.5快速求解模型的求解148

13.6小结149

深入阅读149

14固态发酵生物反应器的动力学子模型：总则151

14.1动力学分析的目的151

14.2生长过程的实验测量151

14.2.1固态发酵中生物量的测量问题151

14.2.2监测生长的间接方法155

14.3生物量的单位156

14.3.1每克新样品中生物体的质量（9）156

14.3.2每克干样品中生物体的质量（9）158

14.3.3每克初始新或干样品中生物体的质量（9）158

14.3.4表达生物量的最佳单位159

14.4动力学曲线及适宜的回归方程159

14.5小结161

深入阅读162

15固态发酵系统中的生长动力学：实验方法164

15.1研究动力学的实验系统164

15.1.1培养箱中放置锥形瓶165

15.1.2水浴中的玻璃柱166

15.1.3两种系统的比较167

15.2实验计划168

15.3通过测量生物体的组分估算生物量170

15.3.1适合标定研究的系统170

15.3.2生物体组分测量值的转换171

15.3.3标定方法的局限性172

15.4小结172

深入阅读172

16动力学子模型的基本特征173

16.1基于微分生长方程的动力学子模型173

16.2基本动力学表达式173

16.3环境对生长的影响176

16.3.1温度对生长的影响177

16.3.2水活度对生长的影响180

16.3.3几种变量的联合影响181

16.4死亡动力学建模182

16.4.1死亡动力学建模的一般考虑182

16.4.2死亡动力学的建模方法183

16.5小结184

深入阅读184

17生长对局部环境影响的建模185

17.1引言185

17.2热量、水分、营养物质和气体项186

17.2.1代谢产热186

17.2.2代谢产水187

17.2.3基质和营养物质的消耗188

17.2.4氧气的消耗和二氧化碳的产生188

17.2.5生长对环境影响方程的一般考虑191

17.3粒径变化的建模192

17.3.1粒径减小的经验公式192

17.3.2生物反应器模型中粒径变化的模拟193

17.4产品形成的实验方法193

17.5小结194

深入阅读194

18固态发酵生物反应器的传热传质建模196

18.1引言196

18.2平衡方程的一般形式196

18.3导热198

18.3.1生物反应器壁的导热198

18.3.2相内导热199

18.4对流传热200

18.4.1生物反应器壁的对流传热201

18.4.2固体颗粒至空气的对流散热202

18.4.3气流通过床层的对流散热202

18.5蒸发204

18.5.1固相至气相的蒸发204

18.5.2气流通过床层的水分去除205

18.6小结206

深入阅读206

19固态发酵生物反应器模型中的基质、空气和热力学参数208

19.1引言208

19.2基质特性208

19.2.1颗粒大小和形状208

19.2.2颗粒密度210

19.2.3床层填充密度210

19.2.4孔隙率（空隙率）212

19.2.5固体颗粒的水活度213

19.3空气密度214

19.4热力学性质215

19.4.1饱和湿度215

19.4.2基质床层的比热容216

19.4.3水的蒸发焓217

深入阅读217

20固态发酵生物反应器传递系数的估算219

20.1引言219

20.2基质床层的导热系数219

20.3生物反应器壁的传热系数220

20.3.1床层-壁面的传热系数220

20.3.2壁面-顶空的传热系数221

20.3.3壁面-环境的传热系数221

20.3.4总传热系数222

20.4床层内部固-气传热传质系数222

20.5床层-顶空的传递系数223

20.6小结227

深入阅读227

21生物反应器模型的研究概况230

21.1模型的用途230

21.2模型的局限性231

21.3建模的详细程度231

21.4案例研究的顺序232

22均匀混合型固态发酵生物反应器模型233

22.1引言233

22.2模型简介233

22.2.1模拟的系统、方程及假设233

22.2.2参数和变量值237

22.3模型分析均匀混合型生物反应器的操作240

22.3.1考察实验室规模生物反应器的操作240

22.3.2考察大规模生物反应器的操作243

22.3.3生物反应器规模和操作对固体颗粒冷却的影响243

22.4小结248

深入阅读248

23转鼓生物反应器模型249

23.1引言249

23.2均匀混合型转鼓生物反应器模型249

23.2.1数学模型及求解简介249

23.2.2实验室规模的操作预测253

23.2.3均匀混合型转鼓生物反应器的放大258

23.3无轴向混合的转鼓生物反应器模拟260

23.4小结262

深入阅读262

24填充床生物反应器模型264

24.1引言264

24.2传统填充床生物反应器模型264

24.2.1数学模型及其解法概要265

24.2.2基本案例预测267

24.2.3模拟对传统填充床优化设计和操作的理解268

24.3 Zymotis型填充床生物反应器模型272

24.3.1模型272

24.3.2 Zymotis型填充床生物反应器优化设计和操作的探讨274

24.4小结276

深入阅读277

25间歇搅拌、强制通风型生物反应器模型279

25.1引言279

25.2模型概要279

25.3模型对于间歇搅拌式生物反应器操作的启示282

25.3.1实验室规模的操作预测282

25.3.2大规模间歇搅拌、强制通风型生物反应器设计与操作287

25.4小结290

深入阅读290

26监测固态发酵生物反应器的仪器291

26.1监测固态发酵生物反应器的重要性291

26.2需要测量哪些变量？291

26.3在线测量所用仪器292

26.4数据过滤295

26.5如何测量其他变量？297

深入阅读299

27过程控制的基本原理301

27.1过程控制的要旨301

27.1.1反馈301

27.1.2控制回路301

27.1.3计算机控制回路302

27.2传统的控制算法302

27.2.1开/关控制303

27.2.2 PID控制305

27.2.3模型预测控制309

深入阅读310

28自动控制策略在固态发酵生物反应器中的应用311

28.1为什么在固态发酵生物反应器中需要自动控制311

28.2如何控制固态发酵生物反应器311

28.3固态发酵生物反应器控制的案例研究313

28.3.1智利PUC生物反应器的控制313

28.3.2基于模型的控制方法评价318

28.4固态发酵生物反应器控制的未来挑战321

深入阅读322

29固态发酵生物反应器中空气制备系统的设计324

29.1引言324

29.2操作模式概述325

29.3鼓风机与压缩机的选型和流量控制327

29.4管道和连接件328

29.5空气灭菌328

29.6加湿塔328

29.7中试规模生物反应器空气制备系统的案例研究329

深入阅读331

30固态发酵生物反应器未来展望332

30.1固态发酵日益重要332

30.2现状和未来前景333

参考文献334

附录：生物反应器程序指南347

A.1声明347

A.2一般信息和建议347

A.3均匀混合型生物反应器模型的使用348

A.4转鼓生物反应器模型的使用351

A.5传统填充床生物反应器模型的使用353

A.6 Zymotis型填充床生物反应器模型的使用354

A.7间歇搅拌、强制通风型生物反应器模型的使用356