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