發酵過程,啤酒發酵過程,酵母菌發酵過程,發酵控制,人工控制發酵,自動檢測與過程控制,
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《發酵過程解析、控制與檢測技術》
史仲平 潘豐編
作為發酵工業中游技術核心的發酵過程控制和優化技術，既關系到能否發揮菌種的最大生產能力，又會影響到下游處理的難易程度，在整個發酵過程中是一項承上啟下的關鍵技術。本書作者多年來一直從事發酵過程的在線檢測、解析、控制和優化等方面的研究，在借鑒國外的有關最新研究成果和作者自身完成的研究實例的基礎上，博采眾家之長，寫成此書。全書結合具體的發酵過程實例，分別對發酵過程的解析、控制和優化，特別是在線檢測、在線狀態預測和模式識別，以及在線控制和最優化控制的技術及方法進行了比較系統詳細的介紹，并引入了模糊邏輯推理、人工神經網絡模型、代謝網絡模型等新型的控制、優化、狀態預測以及模式識別等方法和技術。本書適合于從事發酵工程、生物工程、生物化工、化學工程等相關專業領域研究的科研人員、教師和工程師使用，也可供大專院校相關專業的高年級本科生和研究生參考。
目錄
目錄
第一章緒論1
第一節生物過程的特點以及生物過程的操作、控制、優化的基本特征1
第二節生物過程控制和優化的目的及研究內容2
第三節發酵過程控制概論4
第四節發酵過程的狀態變量、操作變量和可測量變量6
第五節用于發酵過程控制和優化的各類數學模型7
第六節發酵過程最優化控制方法概論8
一、基于非構造式動力學模型的最優化控制方法8
二、基于可實時測定的過程輸入輸出時間序列數據和黑箱模型的
最優化控制方法9
參考文獻10
第二章生物過程參數在線檢測技術11
第一節pH的在線測量13
一、pH傳感器的工作原理13
二、pH傳感器的使用15
第二節溶氧濃度的在線測量18
一、溶氧濃度測量原理18
二、溶氧電極19
三、溶氧電極的使用21
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23
一、氧分析儀23
二、尾氣CO2分壓的檢測26
三、呼吸代謝參數的計算26
第四節發酵罐內氧氣體積傳質系數KLa的測量31
一、亞硫酸鹽氧化法31
二、溶氧電極法32
三、物料衡算法33
四、動態測定法34
五、取樣極譜法35
六、復膜電極測定KLa35
第五節發酵罐內細胞濃度的在線測量和比增殖速率的計算36
一、菌體濃度的檢測方法及原理36
二、在線激光濁度計38
第六節生物傳感器在發酵過程檢測中的應用39
一、生物傳感器的類型和結構原理39
二、發酵罐基質（葡萄糖等）濃度的在線測量43
三、引流分析與控制（FIA）45
四、發酵罐器內一級代謝產物（乙醇、有機酸等）濃度的在線
測量47
參考文獻48
第三章發酵過程控制系統和控制設計原理及應用49
第一節過程的狀態方程式49
第二節生物過程的典型和基本數學模型51
一、生物過程最基本的合成和代謝分解反應51
二、生物過程典型的數學模型形式55
三、發酵過程的各種得率系數和各種比反應速率的表現形式57
四、生物反應器的基本操作方式62
五、發酵過程狀態方程式在“理想操作點”近旁的線性化64
第三節拉普拉斯變換與反拉普拉斯變換67
一、拉普拉斯變換的定義68
二、拉普拉斯變換的基本特性以及基本函數的拉普拉斯變換68
三、反拉普拉斯變換69
四、有理函數的反拉普拉斯變換69
五、過程的傳遞函數GP(s)——線性狀態方程式的拉普拉斯函數
表現形式69
六、過程傳遞函數的框圖和轉換70
七、過程對于輸入變量變化的響應特性71
第四節過程的穩定性分析74
一、過程穩定的判別標準74
二、過程在平衡點（特異點）近旁的穩定特性的分類75
三、連續攪拌式生物反應器的穩定特性的解析77
第五節生物過程的反饋控制和前饋控制79
一、生物過程的前饋控制79
二、流加操作的生物過程中常見的前饋控制方式80
三、生物過程的反饋控制83
四、生物過程中反饋控制與前饋控制的并用84
第六節PID反饋控制系統的設計和解析86
一、閉回路PID反饋控制的性能特征86
二、比例動作87
三、積分動作88
四、微分動作89
五、PID反饋控制器的構成特征89
六、反饋控制系統的穩定性分析89
七、反饋控制系統的設計和參數調整91
八、開關反饋控制94
第七節反饋控制系統在生物過程控制中的實際應用95
一、以溶氧濃度（DO）變化為反饋指標的流加培養控制——
DOSTAT法95
二、以pH變化為反饋指標的流加培養控制——pHSTAT法98
三、以RQ為反饋指標的流加培養控制100
四、直接以葡萄糖濃度為反饋指標的流加培養控制101
五、以代謝副產物濃度為反饋指標的流加培養控制103
參考文獻105
第四章發酵過程的最優化控制106
第一節最優化控制的研究內容、表述、特點和方法106
第二節最大原理及其在發酵過程最優化控制中的應用107
一、最大原理及其算法簡介107
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111
三、最大原理的數值解法及其在生物過程最優化控制中的應用116
第三節格林定理及其在發酵過程最優化控制中的應用121
一、格林定理121
二、利用格林定理求解流加培養（發酵）的最短時間軌道問題122
三、格林定理在乳酸菌過濾培養最優化控制中的應用125
四、利用格林定理進行乳酸菌過濾培養最優化控制的計算機模擬和
實驗結果128
第四節遺傳算法及其在發酵過程最優化控制中的應用131
一、遺傳算法簡介131
二、遺傳算法的算法概要及其在重組大腸桿菌培養的最優化控制
中的應用132
三、遺傳算法在酸乳多糖最優化生產中的應用138
參考文獻143
第五章發酵過程的建模和狀態預測144
第一節描述發酵過程的各類數學模型簡介144
一、非構造式動力學模型145
二、代謝網絡模型146
三、基于在線時間序列數據的自回歸平均移動模型146
四、人工神經網絡模型147
五、正交或多項式回歸模型148
第二節非構造式動力學數學模型的建模方法148
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148
二、利用遺傳算法確定過程模型參數157
第三節利用人工神經網絡建模和預測發酵過程的狀態159
一、神經細胞和人工神經網絡模型159
二、人工神經網絡模型的類型161
三、人工神經網絡的誤差反向傳播學習算法163
四、利用人工神經網絡在線識別發酵過程的生理狀態和濃度變化
模式167
五、利用人工神經網絡的發酵過程狀態變量預測模型169
六、利用人工神經網絡的非線性回歸模型173
七、結合使用人工神經網絡模型和遺傳算法的過程優化175
第四節卡爾曼濾波器在發酵過程狀態預測中的應用176
一、卡爾曼濾波器及其算法176
二、利用卡爾曼濾波器在線推定菌體的比增殖速率178
參考文獻180
第六章發酵過程的在線自適應控制182
第一節基于在線時間序列輸入輸出數據的自回歸移動平均模型解析184
一、自回歸移動平均模型詳解184
二、利用逐次最小二乘回歸法計算和確定自回歸移動平均模型的
模型參數186
第二節基于自回歸移動平均模型的在線自適應控制189
一、“極配置” 型的在線自適應控制系統189
二、“最優控制”型的在線自適應控制系統190
三、酵母菌流加培養過程的比增殖速率在線自適應最優控制193
四、乳酸連續過濾發酵過程的在線自適應控制196
第三節基于自回歸移動平均模型的在線最優化控制201
一、面包酵母連續生產的在線最優化控制201
二、乳酸連續過濾發酵的在線最優化控制205
第四節基于遺傳算法的在線最優化控制210
一、利用遺傳算法實時在線跟蹤和更新非構造式動力學模型的
參數210
二、結合使用最大原理和遺傳算法的在線最優化控制212
參考文獻214
第七章人工智能控制216
第一節模糊邏輯控制器217
一、模糊邏輯控制器的特點和簡介217
二、模糊語言數值表現法和模糊成員函數218
三、模糊規則223
四、模糊規則的執行和實施——解模糊規則的方法225
五、模糊邏輯控制系統的構成、設計和調整228
第二節模糊邏輯控制系統在發酵過程中的實際應用231
一、酵母流加培養過程的模糊控制231
二、谷氨酸流加發酵過程的模糊控制237
三、輔酶Q10發酵生產過程的模糊控制241
四、模糊推理技術在發酵過程在線狀態預測中的應用245
第三節基于人工神經網絡的控制系統及其在發酵過程中的應用250
一、基于人工神經網絡的在線自適應控制250
二、模糊神經網絡控制系統及其在發酵過程中的實際應用253
三、模糊神經網絡控制器及其在發酵過程中的應用260
參考文獻268
第八章利用代謝網絡模型的過程控制和優化270
第一節代謝網絡模型解析270
一、代謝網絡模型的簡化、計算和求解272
二、利用代謝網絡模型的狀態預測277
第二節網絡信號傳遞線圖和利用網絡信號傳遞線圖的代謝網絡模型278
一、網絡信號傳遞線圖及其簡化278
二、利用代謝信號傳遞線圖處理代謝網絡281
三、利用網絡信號傳遞線圖的代謝網絡分析282
第三節代謝網絡模型在賴氨酸發酵過程在線狀態預測和控制中的
應用284
一、簡化代謝網絡模型的建立286
二、利用簡化代謝網絡模型進行在線狀態預測的結果288
參考文獻290
第九章計算機在生化反應過程控制中的應用291
第一節過程工業的特點和計算機控制291
一、過程工業的特點291
二、數字計算機在過程控制中應用概述293
第二節集散控制系統及接口技術296
一、集散控制系統簡介296
二、集散控制系統的特點298
三、過程接口技術299
第三節檸檬酸發酵過程計算機控制系統設計302
一、系統結構設計303
二、組態軟件設計304
三、系統功能設計305
四、系統控制算法及優化305
第四節青霉素發酵過程專家控制系統307
一、青霉素發酵過程的特點和控制上的困難307
二、青霉素發酵過程專家控制系統308
三、系統運行情況312
參考文獻313 |
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