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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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