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第1章 绪论1

1.1生物反应过程的概念、内容和特点1

1.1.1生物反应过程的概念1

1.1.2生物反应过程的内容1

1.1.3生物反应过程的特点2

1.2生物反应过程测控技术的含义、目的和任务2

1.2.1生物反应过程测控技术的含义2

1.2.2过程检测与调控的目的和任务3

1.3生物反应过程参数检测概述3

1.3.1物理参数3

1.3.2化学参数4

1.3.3生物参数4

1.4细胞的代谢调节概述6

1.4.1代谢调节机制7

1.4.2初级代谢物的调节7

1.4.3次级代谢物的调节7

1.5生物反应过程控制概述8

1.5.1过程控制的主要内容8

1.5.2控制系统概述9

1.6计算机在生物反应过程控制中的应用11

1.6.1生物反应过程状态估计11

1.6.2生物反应过程直接数字控制（DDC）12

1.6.3生物反应过程优化控制12

第2章 物理参数的检测14

2.1反应过程参数检测方式与传感器14

2.1.1检测方式及原理14

2.1.2检测用传感器种类及特性16

2.2温度的测量18

2.2.1热电势式测温元件18

2.2.2热电阻式测温元件21

2.2.3温度的测量、显示和记录23

2.3压力和液位的测量25

2.3.1压力测量原理25

2.3.2波登（Bourdon）管式压力传感器26

2.3.3波纹管式压力传感器27

2.3.4膜式压力传感器28

2.3.5电阻应变片29

2.3.6压力测量30

2.3.7液位和泡沫液位的测量31

2.4流量测量33

2.4.1流量测量概述33

2.4.2差压式流量计34

2.4.3转子流量计35

2.4.4电磁流量计38

2.5发酵液黏度及搅拌参数的检测39

2.5.1发酵液黏度的检测39

2.5.2搅拌转速和搅拌功率的检测40

第3章 化学参数的检测41

3.1电化学分析41

3.1.1电化学分析法基本原理41

3.1.2电化学分析的分类43

3.1.3主要电化学分析方法原理44

3.1.4扩散电流理论59

3.1.5电化学分析的特点及应用60

3.2 pH测量概述61

3.2.1 pH测量的目的61

3.2.2 pH测量所需电极62

3.2.3 pH测量系统64

3.3 pH测量的基础理论65

3.3.1电势测量原理65

3.3.2 pH测量系统电势66

3.3.3 pH值的定义68

3.3.4活度与浓度的关系69

3.3.5缓冲液70

3.3.6 pH与温度的关系71

3.3.7信号处理73

3.4 pH测量方法74

3.4.1 pH测量的一般原则74

3.4.2生物工厂的pH测量75

3.4.3信号处理和环境影响76

3.4.4 pH电极的标定76

3.4.5电极的维护77

3.4.6温度补偿78

3.5 pH测量应用示例79

3.5.1实验室中pH测量79

3.5.2生物工厂pH连续测量80

3.6溶解氧的测量81

3.6.1溶解氧电极81

3.6.2溶解氧电极构造82

3.6.3溶解氧电极技术特性83

3.6.4溶解氧电极电流放大器84

3.6.5溶解氧测量系统的校验85

3.7溶解氧测量与维护86

第4章 生物反应液生物参数的检测与估算87

4.1生物反应过程数据采集和滤波87

4.1.1过程数据采集和处理87

4.1.2简单数字滤波法87

4.2呼吸代谢的测量及有关算法90

4.2.1氧利用速率90

4.2.2二氧化碳释放速率91

4.2.3呼吸商93

4.2.4呼吸代谢参数与生物参数的关系93

4.3依据发酵热和物料平衡进行估计的方法95

4.3.1发酵热的测量95

4.3.2发酵热与动力学参数的关系96

4.3.3基于化学元素平衡方法来估计生物参数96

4.4青霉素发酵过程生物质浓度在线估计实例98

4.4.1估计算法推导98

4.4.2数据采集和计算方法100

4.5细胞浓度测定101

4.5.1全细胞浓度的测定101

4.5.2活细胞浓度测定102

4.6生物反应液成分分析103

4.6.1原位在线检测的技术103

4.6.2非原位在线检测技术104

4.6.3各检测技术的应用前景分析105

第5章 参数检测中的生物传感器及流程分析仪107

5.1生物传感器的类型及其结构原理107

5.1.1酶电极108

5.1.2微生物电极110

5.1.3免疫电极113

5.1.4生物传感器的换能器件114

5.2生物传感器在检测过程中的应用117

5.2.1在微生物发酵中的应用117

5.2.2动物细胞培养的检测120

5.2.3植物细胞培养的检测120

5.3生产流程分析仪120

5.3.1红外气体分析仪121

5.3.2氧分析仪124

5.3.3反应过程新型检测技术126

第6章 生物细胞的代谢调节130

6.1生物细胞的代谢调节特点130

6.2生物细胞代谢调控机制130

6.2.1酶活性的调节131

6.2.2酶合成的调节135

6.3微生物次级代谢与调节150

6.3.1微生物次级代谢的特征150

6.3.2次级代谢产物的类型151

6.3.3次级代谢物生物合成原理152

6.4微生物次级代谢作用的调控154

6.4.1微生物的次级代谢与其生命活动的关系155

6.4.2次级代谢产物生物合成的调节与控制156

6.4.3基因工程在提高生产性能上的应用166

第7章 生物反应过程的控制170

7.1生物反应过程控制的简介170

7.2微生物发酵过程的代谢变化规律171

7.2.1分批发酵171

7.2.2补料分批发酵173

7.2.3连续发酵174

7.3温度对发酵的影响及其控制174

7.3.1影响发酵温度的因素175

7.3.2温度对微生物生长的影响176

7.3.3温度对发酵的影响178

7.3.4最适温度的选择179

7.3.5发酵过程温度控制180

7.4溶解氧浓度对发酵的影响及其监控181

7.4.1微生物对氧利用的规律182

7.4.2溶解氧作为发酵异常情况的指示184

7.4.3溶解氧作为发酵中间控制的手段之一186

7.4.4氧供需与产物形成187

7.4.5发酵液中的溶解氧控制189

7.5 pH值对发酵过程的影响及控制191

7.5.1 pH值对发酵过程的影响191

7.5.2最合适pH值的选择192

7.5.3 pH的控制194

7.6二氧化碳和呼吸商196

7.6.1二氧化碳对发酵的影响196

7.6.2呼吸商与发酵的关系200

7.7基质浓度对发酵的影响及补料控制201

7.7.1基质浓度对发酵的影响201

7.7.2补料发酵工艺控制202

7.8泡沫控制210

7.8.1泡沫的产生及其影响210

7.8.2发酵过程中泡沫的消长规律211

7.8.3泡沫的控制212

7.9发酵罐压力的控制214

7.10发酵终点的判断214

第8章 生物反应过程计算机控制217

8.1过程工业与计算机控制217

8.1.1过程工业特点217

8.1.2数字计算机在过程控制中应用概述219

8.2集散型控制系统及接口技术220

8.2.1集散型控制系统结构及功能220

8.2.2集散型控制系统的发展222

8.2.3 DCS的特点226

8.2.4过程接口技术227

8.2.5工业发酵过程微机控制过程接口229

8.3计算机控制中的PID控制算法230

8.3.1数字式PID控制算法230

8.3.2改进型的PID控制算法231

8.3.3 DCS中的PID控制算法的实现233

8.4间歇生产过程控制234

8.4.1程序控制概述235

8.4.2程序控制的描述方法235

8.4.3可编程序控制器及应用237

8.5生物反应过程计算机辅助优化控制设计241

8.5.1动力学模型及求解242

8.5.2菌体最佳操作浓度的确定244

8.5.3最佳稀释速率的确定245

8.5.4补料液中基质浓度的确定246

8.6计算机在生物反应过程控制中的应用247

8.6.1 DCS在青霉素发酵补料过程中的应用247

8.6.2谷氨酸发酵过程计算机控制251

参考文献255