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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