Công Nghệ Sinh Học: Đo Lường, Mô Hình Hóa và Kiểm Soát - Tái Bản Thứ Hai

Khám phá công nghệ sinh học qua mô hình và điều khiển của Karl Schugerl, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng và tiềm năng trong ngành.

• Tác giả: H. Reed
• Trường học: Universität Hannover
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Đo Lường, Mô Hình Hóa và Kiểm Soát
• Loại tài liệu: sách
• Năm xuất bản: 1991
• Địa điểm: Weinheim

Mục lục chi tiết

• Preface
• 1. Contents
• 1.1. Introduction
• 1.2. Instruments
• 1.2.1. 1 Common Instruments for Process Analysis and Control
• 1.3. Models
• 1.4. Control and Automation
• 1.5. Index
• 2. Introduction
• 3. Instruments
• 3.1. 1 Common Instruments for Process Analysis and Control
• 3.1.1. 1 Introduction
• 3.1.2. 2 Use of the Variables Temperature, pH, po2, Eh, and pcO2 for Process Analysis, Optimization, and Control
• 3.1.2.1. 2.1 Temperature and pH
• 3.1.2.2. 2.2 Dissolved Oxygen Partial Pressure, po2
• 3.1.2.3. 2.3 Redox Potential, Eh, and Dissolved CO2 Partial Pressure, pcO2
• 3.1.3. 3 Instruments for Determination of Physical System Properties
• 3.1.3.1. 3.3 Liquid Level and Holdup
• 3.1.3.2. 3.7 Foaminess
• 3.1.4. 4 Instruments for Determination of Chemical System Properties
• 3.1.4.1. 4.2 Dissolved Oxygen Partial Pressure, po2
• 3.1.4.2. 4.4 Dissolved CO2 Partial Pressure, pcO2
• 3.1.5. 5 Performance of Instruments for Process Control
• 3.1.6. 6 Future Developments
• 3.1.7. 7 References
• Contributors

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Công Nghệ Sinh Học Đo Lường Mô Hình Hóa và Kiểm Soát

Công nghệ sinh học đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng. Tái bản thứ hai của tài liệu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp đo lường, mô hình hóa và kiểm soát trong công nghệ sinh học. Những tiến bộ trong công nghệ đã giúp cải thiện quy trình sản xuất và tối ưu hóa hiệu suất. Việc áp dụng các công nghệ mới trong lĩnh vực này không chỉ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp mà còn cho y học và nông nghiệp.

1.1. Định Nghĩa và Vai Trò Của Công Nghệ Sinh Học

Công nghệ sinh học là ứng dụng của các hệ thống sinh học để phát triển sản phẩm và quy trình. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Công Nghệ Sinh Học

Công nghệ sinh học đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1970 đến nay. Sự phát triển này đã dẫn đến nhiều ứng dụng thực tiễn trong y học, nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm.

II. Thách Thức Trong Đo Lường và Kiểm Soát Trong Công Nghệ Sinh Học

Mặc dù công nghệ sinh học đã đạt được nhiều thành tựu, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc đo lường và kiểm soát các biến số trong quy trình sinh học. Các vấn đề như độ chính xác của thiết bị đo, sự biến đổi của môi trường và sự phức tạp của các quá trình sinh học là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Độ Chính Xác Trong Đo Lường

Độ chính xác của các thiết bị đo lường là rất quan trọng để đảm bảo kết quả đáng tin cậy. Việc cải thiện công nghệ đo lường sẽ giúp nâng cao hiệu quả của quy trình sản xuất.

2.2. Sự Biến Đổi Của Môi Trường

Môi trường nuôi cấy có thể thay đổi nhanh chóng, ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất cần thiết để duy trì sự ổn định trong quy trình.

III. Phương Pháp Đo Lường Trong Công Nghệ Sinh Học Cách Tiếp Cận Hiện Đại

Các phương pháp đo lường hiện đại trong công nghệ sinh học bao gồm việc sử dụng cảm biến sinh học, phân tích hóa học và các công nghệ mới như NMR. Những phương pháp này giúp cung cấp thông tin chính xác về quá trình sinh học và hỗ trợ trong việc kiểm soát quy trình.

3.1. Cảm Biến Sinh Học Công Nghệ Mới Trong Đo Lường

Cảm biến sinh học có khả năng phát hiện các chất sinh học với độ nhạy cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong việc theo dõi các biến số trong quy trình sản xuất.

3.2. Phân Tích Hóa Học Phương Pháp Truyền Thống và Hiện Đại

Phân tích hóa học vẫn là một phương pháp quan trọng trong công nghệ sinh học. Các kỹ thuật như sắc ký và quang phổ giúp xác định thành phần hóa học của môi trường nuôi cấy.

IV. Mô Hình Hóa Quy Trình Sinh Học Từ Lý Thuyết Đến Thực Tiễn

Mô hình hóa quy trình sinh học là một công cụ quan trọng giúp dự đoán và tối ưu hóa các biến số trong quy trình sản xuất. Việc áp dụng các mô hình toán học giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu rủi ro trong sản xuất.

4.1. Các Loại Mô Hình Trong Công Nghệ Sinh Học

Có nhiều loại mô hình khác nhau được sử dụng trong công nghệ sinh học, bao gồm mô hình động học, mô hình nhiệt động lực học và mô hình sinh học.

4.2. Ứng Dụng Mô Hình Hóa Trong Quy Trình Sản Xuất

Mô hình hóa giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất bằng cách dự đoán các biến số quan trọng như tốc độ sinh trưởng và năng suất sản phẩm.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Công Nghệ Sinh Học Trong Y Học và Nông Nghiệp

Công nghệ sinh học đã được áp dụng rộng rãi trong y học và nông nghiệp, mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe con người và sản xuất nông nghiệp. Các sản phẩm sinh học như vắc xin và thuốc điều trị đã giúp cải thiện chất lượng cuộc sống.

5.1. Công Nghệ Sinh Học Trong Y Học Tiến Bộ và Ứng Dụng

Công nghệ sinh học đã tạo ra nhiều loại vắc xin và thuốc điều trị mới, giúp nâng cao hiệu quả điều trị bệnh và giảm thiểu tác dụng phụ.

5.2. Công Nghệ Sinh Học Trong Nông Nghiệp Tăng Năng Suất và Chất Lượng

Việc áp dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp giúp cải thiện giống cây trồng, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

VI. Kết Luận Tương Lai Của Công Nghệ Sinh Học

Công nghệ sinh học đang phát triển nhanh chóng và hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ giúp giải quyết nhiều thách thức hiện tại và tạo ra những cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

6.1. Xu Hướng Phát Triển Trong Công Nghệ Sinh Học

Các xu hướng mới trong công nghệ sinh học bao gồm việc sử dụng trí tuệ nhân tạo và công nghệ gen để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

6.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu và Đổi Mới

Nghiên cứu và đổi mới là yếu tố then chốt để phát triển công nghệ sinh học, giúp tạo ra các sản phẩm và quy trình mới đáp ứng nhu cầu của thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Biotechnology Second Edition Volume 4 Measuring, Modelling, and Control Biotechnology Second Edition Fundamentals Special Topics Volume 1 Volume 9 Biological and Biochemical Fundamentals Enzymes, Biomass, Food and Feed Volume 2 Volume 10 Genetic Fundamentals and Special Processes Genetic Engineering Volume 11 Volume 3 Environmental Processes Bioprocessing Volume 12 Volume 4 Patents, Legislation, Information Sources, Measuring, Modelling, and Control General Index Products Volume 5 Genetically Engineered Proteins and Monoclonal Antibodies Volume 6 Products of Primary Metabolism Volume 7 Products of Secondary Metabolism Volume 8 Biotransformations 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim (Federal Republic of Germany), 1991 Distribution: VCH, P. Box 101161, D-6940 Weinheim (Federal Republic of Germany) Switzerland: VCH, P. Box, CH-4020 Base1 (Switzerland) United Kingdom and Ireland: VCH (UK) Ltd., 8 Wellington Court, Cambridge CB1 1HZ (England) USA and Canada: VCH, Suite 909,220 East 23rd Street, New York, NY 10010-4606 (USA) ISBN 3-527-28314-5 (VCH, Weinheim) ISBN 1-56081-154-4(VCH, New York) - A Multi-Volume Comprehensive Treatise Biotechnology Second, Completely Revised Edition Edited by H. Reed in cooperation with A.

Stadler Volume 4 Measuring, Modelling, and Control Edited by K. Schugerl - - Weinheim New York. Base1 Cambridge Series Editors: Volume Editor: Prof. Schiigerl Institut fur Mikrobiologie 1016 Monmouth Ave.

Institut fiir Technische Chemie Universitiit Miinster Durham, NC 27701 Universitiit Hannover CorrensstraBe 3 USA CallinstraBe 3 D-4400 Miinster D-3000 Hannover 1 Dr. Piihler Bayer AG Biologie VI (Genetik) Verfahrensentwicklung Biochemie Universitiit Bielefeld Leitung P. Box 8640 Friedrich-Ebert-StraBe 217 D-4800 Bielefeld 1 D-5600 Wuppertal 1 This book was carefully produced. Nevertheless, authors, editors and publisher do not warrant the information con- tained therein to be free of errors.

Readers are advised to keep in mind that statements, data, illustrations, procedural details or other items may inadvertently be inaccurate. Published jointly by VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim (Federal Republic of Germany) VCH Publishers Inc., New York, NY (USA) Editorial Director: Dr. Hans-Joachim Kraus Editorial Manager: Christa Maria Schultz Production Director: Maximilian Montkowski Production Manager: Peter J. Biel Library of Congress Card No.: 91-16462 British Library Cataloguing-in-Publication Data: Biotechnology Second Edition Biotechnology: Vol 4.

Measuring, modelling and control.8 ISBN 3-527-28314-5 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Biotechnology : a multi volume comprehensive treatise / ed. In cooperation with A. - Weinheim; New York; Basel; Cambridge: VCH. NE: Rehm, Hans J.

Measuring, modelling, and control / ed. - 1991 ISBN 3-527-28314-5 (Weinheim) ISBN 1-56081-154-4 (New York) NE: Schiigerl, Karl [Hrsg.] 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim (Federal Republic of Germany), 1991 Printed on acid-free and low-chlorine paper. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form - by photoprinting, microfilm, or any other means - nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers.

Registered names, trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked as such, are not to be considered unprotected by law. Composition and Printing: Zechnersche Buchdruckerei, D-6720 Speyer, Bookbinding: Klambt-Druck GmbH, D-6720 Speyer Printed in the Federal Republic of Germany Preface In recognition of the enormous advances in The present volume, fourth in the series, re- biotechnology in recent years, we are pleased flects the enormous impact of computer tech- to present this Second Edition of “Biotech- nology on biotechnology, especially in the nology” relatively soon after the introduction areas of measurement and control. It describes of the First Edition of this multi-volume com- monitoring of the biotechnological process prehensive treatise.

Since this series was ex- with sophisticated analytical techniques, use of tremely well accepted by the scientific commu- the resulting data by means of mathematical nity, we have maintained the overall goal of models, and computer-aided closed loop con- creating a number of volumes, each devoted to trol for improvement of the productivity of a certain topic, which provide scientists in biotechnological processes. While Volume 4 academia, industry, and public institutions can be used independently, Volume 3 “Bio- with a well-balanced and comprehensive over- processing” is recommended as a companion view of this growing field. We have fully re- volume. vised the Second Edition and expanded it from The volume editors and the authors of the ten to twelve volumes in order to take all re- individual chapters have been chosen for their cent developments into account.

recognized expertise and their contributions to These twelve volumes are organized into the various fields of biotechnology. Their will- three sections. The first four volumes consider ingness to impart this knowledge to their col- the fundamentals of biotechnology from bio- leagues forms the basis of “Biotechnology” logical, biochemical, molecular biological, and and is gratefully acknowledged. Moreover, chemical engineering perspectives.

The next this work could not have been brought to fru- four volumes are devoted to products of indus- ition without the foresight and the constant trial relevance. Special attention is given here and diligent support of the publisher. We are to products derived from genetically engi- grateful to VCH for publishing “Biotechnolo- neered microorganisms and mammalian cells. gy” with their customary excellence.

Special The last four volumes are dedicated to the de- thanks are due Dr. Hans-Joachim Kraus and scription of special topics. Christa Schultz, without whose constant ef- The new “Biotechnology” is a reference forts the series could not be published. Finally, work, a comprehensive description of the the editors wish to thank the members of the state-of-the-art, and a guide to the original Scientific Advisory Board for their encourage- literature.

It is specifically directed to micro- ment, their helpful suggestions, and their con- biologists, biochemists, molecular biologists, structive criticism. bioengineers, chemical engineers, and food and pharmaceutical chemists working in indus- May 1991 H. Rehm try, at universities or at public institutions. Reed A carefully selected and distinguished Scien- A.

Puhler tific Advisory Board stands behind the series. Stadler Its members come from key institutions repre- senting scientific input from about twenty countries. Scientific Advisory Board Prof. Ghose August Kirchenstein Institute of Microbiology Biochemical Engineering Research Centre Latvian Academy of Sciences Indian Institute of Technology Riga, USSR New Delhi, India Prof, Dr.

Bu’Lock Prof. Goldberg Weizmann Microbial Chemistry Laboratory Department of Applied Microbiology Department of Chemistry The Hebrew University University of Manchester Jerusalem, Israel Manchester, UK Prof. Goma Department of Chemical Engineering Departement de Genie Biochimique et Massachusetts Institute of Technology Alimentaire Cambridge, MA, USA Institut National des Sciences Appliquees Toulouse, France Prof. Hopwood Department of Microbiology Department of Genetics University of Queensland John Innes Institute St.

Lucia, Australia Norwich, UK Prof, Dr. Hoffmann-La Roche AG Organon International bv Basel, Switzerland Scientific Development Group Oss. The Netherlands Prof. Humphrey Institut fur Biotechnologie Center for Molecular Bioscience and Eidgenossische Technische Hochschule Biotechnology Zurich, Switzerland Lehigh University Bethlehem, PA, USA VIII Scientific Advisory Board Prof.

Schiigerl Research Center for Advanced Science Institut fur Technische Chemie and Technology Universitat Hannover University of Tokyo Hannover, Germany Tokyo, Japan Prof. Lachance Prof, Dr. Sensi Department of Plant Sciences Chair of Fermentation Chemistry University of Western Ontario and Industrial Microbiology London, Ontario, Canada Lepetit Research Center Gerenzano, Italy Prof. Tan China National Center for Biotechnology Institute of Molecular and Cell Biology Development National University of Singapore Beijing, China Singapore Prof.

Thomas Department of Microbiology Laboratoire de Technologie Enzymatique University of Leon Universite de Compiegne Leon, Spain Compiegne, France Prof. Verstraete Department of Biotechnology Laboratory of Microbial Ecology Chemical Center Rij ksuniversiteit Gent University of Lund Gent, Belgium Lund, Sweden Prof. Winnacker Institut fur Biochemische Technologie Institut fur Biochemie und Mikrobiologie Universitat Munchen Technische Universitat Wien Miinchen, Germany Wien. Sahm Institut fur Biotechnologie Forschungszentrum Julich Julich, Germany Contents Introduction 1 10 Stirred Tank Models 299 M.

Instruments 11 Tower Reactor Models 349 J. Merchuk 1 Common Instruments for Process 12 Process Models: Optimization of Yeast Analysis and Control 5 Production - A Case Study 383 K. Yuan 2 Methods and Instruments in Fermentation 13 Aerobic Waste Water Process Gas Analysis 27 Models 407 E. Andrews 3 Biosensors 75 14 Anaerobic Waste Water Process B.

Wandrey 15 Bioprocess Kinetics and Modelling 11. Measurements in Bioreactor of Recombinant Fermentation 485 Systems D. Lee 4 Characterization of Bioreactors 107 A. Control and Automation 5 On-Line Analysis of Broth 149 16 Control of Bioreactor Systems 509 K.

Lee 6 Determination of Cell Concentration 17 Automation in Biotechnology 561 and Characterization of Cells 179 A. Scheper 18 Modelling, Design, and Control of 7 Bioreactor State Estimation 225 Downstream Processing 603 G. Suga 8 Optimization of Sampling 251 19 Expert Systems for Biotechnology 625 A. Modelling of Bioreactor Index 637 Systems 9 Cell Models 267 K.

Bellgardt Contributors Dr. Aarne Halme EG&G Automation Technology Laboratory Idaho National Engineering Laboratory Helsinki University of Technology Idaho Falls, ID 83415, USA Electrical Engineering Building Chapter 13 Otakaari 5A SF-02150 ESPOO,Finland Chapter 19 Dr. Rakesh Bajpai Dr. Elmar Heinzle Department of Chemical Engineering Biological Reaction Engineering Group University of Missouri Chemical Engineering Department Columbia, MO 65203, USA Eidgenossische Technische Hochschule (ETH) Chapter 10 Universitatsstrane 6 CH-8092 Zurich, Switzerland Chapter 2 Prof.

Karl-Heinz Bellgardt Prof. Nazmul Karim Institut fur Technische Chemie Department of Agricultural and Universitat Hannover Chemical Engineering CallinstraSe 3 Colorado State University D-3000 Hannover 1, FRG Fort Collins, CO 80523, USA Chapters 9 and 12 Chapter 19 Dr. Jeong-Yoon Kim Biological Reaction Engineering Group Department of Chemical Engineering Chemical Engineering Department University of California Eidgenossische Technische Hochschule (ETH) Davis, CA 95616, USA UniversitatsstraSe 6 Chapter 15 CH-8092 Zurich, Switzerland Chapter 2 XI1 Contributors Dr. Kyu-Sung Lee Prof.

Axel Munack Biochemical Engineering Program Institut fur Biosystemtechnik University of California Bundesforschungsanstalt fur Landwirtschaft Irvine, CA 92717, USA Bundesallee 50 Chapter 16 D-3300 Braunschweig-Volkenrode, FRG Chapter 8 Dr. Sun Bok Lee Dr. Seujeung Park Pohang Institute of Technology Department of Chemical Engineering Pohang, Korea Massachusetts Institute of Technology Chapter 15 Cambridge, MA 02139, USA Chapter 7 Prof. Reardon Biochemical Engineering Program Colorado State University University of California Fort Collins, CO 80523, USA Irvine, CA 92717, USA Chapter 6 Chapter 16 Priv.

Andreas Liibbert Prof. Matthias Reuss Institut fur Technische Chemie Institut fur Bioverfahrenstechnik Universitat Hannover Universitat Stuttgart CallinstraRe 3 Boblinger StraRe 72 D-3000 Hannover 1, FRG D-7000 Stuttgart 1, FRG Chapters 4 and I7 Chapter I0 Prof. Bo Mattiasson Prof. Ryu Department of Biotechnology Department of Chemical Engineering Chemical Center University of California University of Lund Davis, CA 95616, USA P.

Box 124 Chapter I5 S-22100 Lund, Sweden Chapter 3 Prof. Scheper Department of Chemical Engineering Institut fur Technische Chemie Program of Biotechnology Universitat Hannover Ben-Gurion University of the Negev CallinstraRe 3 Beer Sheva, Israel D-3000 Hannover 1, FRG Chapter I1 Chapter 6 Contributors XI11 Prof. Karl Schiigerl Prof. Ken-ichi Suga Institut fur Technische Chemie Department of Fermentation Technology Universitat Hannover Faculty of Engineering CallinstraBe 3 Osaka University, Suita D-3000 Hannover 1, FRG Osaka 565, Japan Chapters I and 5 Chapter 18 Dr.

Dirk Schurbuscher Prof. Christian Wandrey Am braunen Berg 9 Institut fur Biotechnologie 2 D-6477 Limeshain-Himbach, FRG Forschungszentrum Julich Chapter 14 Postfach 1913 D-5170 Julich, FRG Chapter 14 Prof. Suteaki Shioya Dr. Jingqi Yuan Department of Fermentation Technology Institute for Automatic Control Faculty of Engineering East China University Osaka University, Suita of Chemical Technology Osaka 565, Japan 130 Meilong Lu Chapter 18 Shanghai, People’s Republic of China Chapter 12 Prof.

Gregory Stephanopoulos Department of Chemical Engineering Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA 02139, USA Chapter 7 Introduction KARL S C H ~ G E R L Hannover, Federal Republic of Germany The fourth volume of the second edition of ess and to effect process optimization and con- “Biotechnology” presents a survey on an in- trol. Therefore, the Series Editors decided to creasingly important field of biotechnology: add to Biotechnology a separate volume with monitoring of the biotechnological process the title “Measuring, Modelling, and Con- with sophisticated analysis techniques, use of trol”, and they asked the Volume Editor to or- the resulting data by means of mathematical ganize it. models, and (computer-aided) closed loop con- trol for improvement of the productivity of This volume consists of four main parts: biotechnological processes. The bottleneck in biotechnological process 0 instruments, control is the on-line measurement of con- 0 measuring techniques, trolled process variables.