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.

Nội dung chính

Phân Tích Chuyên Khảo: Công Nghệ Sinh Học (Tập 4: Đo Lường, Mô Hình Hóa và Kiểm Soát)

{
  "document_type": "textbook",
  "confidence": 0.95,
  "reasoning": "Tài liệu là sách/giáo trình chuyên khảo học thuật thuộc bộ chuyên khảo nhiều tập ('Biotechnology: A Multi-Volume Comprehensive Treatise', Second Edition, Volume 4: Measuring, Modelling, and Control). Nội dung có đầy đủ đặc trưng của sách học thuật/giáo trình xuất bản: mã số tiêu chuẩn quốc tế ISBN (ISBN 3-527-28314-5), nhà xuất bản (VCH Verlagsgesellschaft mbH), hội đồng biên tập (Series/Volume Editors), và Lời nói đầu (Preface)."
}

---

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Biotechnology: A Multi-Volume Comprehensive Treatise (Second, Completely Revised Edition), Tập 4 với chủ đề Measuring, Modelling, and Control do Giáo sư Karl Schügerl (Viện Hóa học Kỹ thuật, Đại học Hannover, Đức) chủ biên, phối hợp cùng Ban biên tập bộ sách gồm H.-J. Rehm, G. Reed, A. Pühler và P. Stadler. Tác phẩm được xuất bản bởi Nhà xuất bản VCH Verlagsgesellschaft mbH (Đức) và VCH Publishers Inc. (Mỹ) với mã số chuẩn quốc tế ISBN 3-527-28314-5 (Weinheim) và ISBN 1-56081-154-4 (New York).

Về vị trí trong chương trình đào tạo, cuốn sách là tập thứ tư trong hợp bộ 12 tập của bộ chuyên khảo Biotechnology. Tập sách thuộc phần thứ nhất (Fundamentals – gồm các Tập từ 1 đến 4), đóng vai trò cấu nối trực tiếp giữa các nguyên lý sinh học, hóa sinh, di truyền học với kỹ thuật phản ứng và kỹ thuật xử lý sinh học (Bioprocessing - Tập 3). Tài liệu cung cấp kiến thức nền tảng và nâng cao cho các môn học như: Kỹ thuật quá trình sinh học, Phân tích và đo lường quá trình lên men, Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống sinh học, Tự động hóa và điều khiển thiết bị phản ứng sinh học (Bioreactor).

Mục tiêu học tập của giáo trình hướng tới việc trang bị cho người học:

• Khả năng phân tích nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và độ tin cậy của các thiết bị đo lường vật lý, hóa học, sinh học dùng trong môi trường vô trùng.
• Năng lực thiết lập các phương trình cân bằng vật chất, cân bằng pha khí - lỏng, cân bằng nguyên tố và hệ phương trình vi phân mô tả động học sinh trưởng, tạo sản phẩm trong các kiểu thiết bị phản ứng khác nhau.
• Kỹ năng ứng dụng dữ liệu thu thập trực tuyến (on-line data) vào các thuật toán ước lượng trạng thái (state estimation), tối ưu hóa điều kiện vận hành và thiết kế các vòng điều khiển tự động có máy tính hỗ trợ (computer-aided closed loop control).

Cấu trúc tài liệu được tổ chức thành 4 khối kiến thức chuyên biệt gồm 19 chương, kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế thiết bị phần cứng, thuật toán xử lý dữ liệu và hệ thống điều khiển tự động hóa. Điểm đặc thù của tài liệu là tính thực chứng cao, mọi phân tích lý thuyết đều đi kèm số liệu thực nghiệm, đánh giá sai số lan truyền và các nghiên cứu điển hình (case studies) trong quy mô phòng thí nghiệm cũng như pilot công nghiệp.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             KIẾN TRÚC TẬP 4: MEASURING, MODELLING, AND CONTROL
                                  VÒNG LẶP TỐI ƯU HÓA & ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai tuần tự qua 4 phần chính:

1. Dụng cụ đo lường quá trình (Instruments)

• Chương 1: Common Instruments for Process Analysis and Control (K. Schügerl): Trình bày nguyên lý đo các biến trạng thái cơ bản gồm nhiệt độ (nhiệt kế điện trở Pt-100 theo tiêu chuẩn DIN 43 760), áp suất màng, thể tích dịch/mức chất lỏng (cảm biến thủy tĩnh $\Delta p = \rho g h$, cảm biến điện dung $C = \varepsilon_0 \varepsilon_r \frac{A}{d}$), lưu lượng chất lỏng (lưu lượng kế phao rotameter, tấm tiết lưu chênh áp, lưu lượng kế cảm ứng điện từ Faraday $U = B D w$), công suất khuấy ($P = 2\pi N M_N$ và $P = M_G R T \ln \frac{p_{in}}{p_{out}}$), độ nhớt chất lỏng (nhớt kế hình trụ đồng tâm Couette và Searle) và kiểm soát bọt. Phần phân tích hóa học tập trung vào điện cực thủy tinh đo pH màng tiệt trùng bằng hơi nước, điện cực oxy hòa tan $pO_2$ màng phân cực (polarographic) và galvanic, điện cực đo thế oxy hóa khử $E_h$ và đầu dò đo áp suất riêng phần $pCO_2$ hòa tan qua màng bán thấm.
• Chương 2: Methods and Instruments in Fermentation Gas Analysis (E. Heinzle, I. J. Dunn): Thiết lập hệ thống phương trình cân bằng khối lượng pha khí cho $O_2$ và $CO_2$, phương pháp cân bằng khí trơ (inert gas balance $N_1 = N_0 \frac{y_{0,inert}}{y_{1,inert}}$) để xác định tốc độ tiêu thụ oxy ($OUR$) và tốc độ sinh $CO_2$ ($CPR$). Khảo sát các thiết bị phân tích khí: máy phân tích oxy thuận từ (paramagnetic), quang phổ hồng ngoại (IR), sắc ký khí (GC), khối phổ (MS), đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID) và lưu lượng kế khối nhiệt (thermal mass flow meter).
• Chương 3: Biosensors (B. Mattiasson): Cấu tạo và cơ chế hoạt động của các cảm biến kết hợp giữa bộ chuyển đổi vật lý (transducer) và các thụ thể sinh học (enzyme, kháng thể, tế bào vi sinh vật).

2. Kỹ thuật đo lường trong hệ thống Bioreactor (Measurements in Bioreactor Systems)

• Chương 4: Characterization of Bioreactors (A. Lübbert): Phương pháp đo lường đặc tính thủy động lực học, phân bố kích thước bọt khí, độ lưu giữ khí (gas holdup) và hệ số truyền khối thể tích $K_La$.
• Chương 5: On-Line Analysis of Broth (K. Schügerl): Các kỹ thuật phân tích hóa học trực tuyến thành phần môi trường nuôi cấy không qua xử lý thủ công.
• Chương 6: Determination of Cell Concentration and Characterization of Cells (A. Scheper): Phương pháp đo nồng độ tế bào và xác định trạng thái sinh học của vi sinh vật bằng kỹ thuật quang học, huỳnh quang và tán xạ.
• Chương 7: Bioreactor State Estimation (G. Stephanopoulos, S. Park): Các thuật toán lọc dữ liệu, ước lượng trạng thái thời gian thực cho các biến số không đo được trực tiếp (như nồng độ sinh khối, tốc độ sinh trưởng riêng $\mu$).
• Chương 8: Optimization of Sampling (A. Munack): Lý thuyết toán học tối ưu hóa tần suất và thời điểm lấy mẫu để thu nhận thông tin cực đại.

3. Mô hình hóa hệ thống Bioreactor (Modelling of Bioreactor Systems)

• Chương 9 - 11: Xây dựng mô hình toán học cho tế bào (Cell Models - K.-H. Bellgardt), mô hình thiết bị phản ứng tháp khuấy (Stirred Tank Models - M. Reuss, R. Bajpai) và mô hình thiết bị phản ứng tháp bọt (Tower Reactor Models - J. Merchuk).
• Chương 12: Nghiên cứu điển hình: Tối ưu hóa quá trình sản xuất nấm men bánh mì (Saccharomyces cerevisiae) bằng mô hình toán (J. Yuan, K.-H. Bellgardt).
• Chương 13 - 14: Mô hình hóa các quá trình xử lý nước thải hiếu khí (A. Halme) và kỵ khí (D. Schürbüscher, C. Wandrey).
• Chương 15: Động học và mô hình hóa quá trình lên men vi sinh vật tái tổ hợp mang plasmid (D. Lee, S. B. Lee, D. D. Y. Ryu).

4. Điều khiển và Tự động hóa (Control and Automation)

• Chương 16 - 17: Kỹ thuật điều khiển bioreactor (K.-S. Lee, Reardon) và tự động hóa toàn diện quy trình công nghệ sinh học (A. Lübbert).
• Chương 18: Modelling, Design, and Control of Downstream Processing (K. Suga, S. Shioya): Mô hình hóa, thiết kế và điều khiển các công đoạn thu hồi, tinh chế sản phẩm sinh học sau lên men.
• Chương 19: Expert Systems for Biotechnology (N. Karim, A. Halme): Ứng dụng hệ chuyên gia trong việc nhận dạng, chẩn đoán lỗi thiết bị và hỗ trợ ra quyết định điều khiển quá trình.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

1. Nhiệt động học và Điện hóa học quá trình đo:

   • Phương trình Nernst mô tả thế điện cực thủy tinh và thế oxy hóa khử ($E_h$): $$E_h = E_0 + \frac{RT}{nF} \ln \left(\frac{\text{hoạt độ dạng oxy hóa}}{\text{hoạt độ dạng khử}}\right)$$
   • Khái niệm $rH$ của Jørgensen: $rH = 2pH + \frac{F}{2.303 RT} E_h$.
   • Định luật Henry trong tương quan hòa tan khí: $[O_2] = \frac{pO_2}{H}$ và $[CO_2] = pCO_2 \cdot H$.

2. Cân bằng vật chất pha khí và pha lỏng:

   • Phương trình vi phân tổng quát cho pha khí và pha lỏng trong bình khuấy trộn lý tưởng: $$V_G \frac{dC_{G,1}}{dt} = G_0 C_{G,0} - G_1 C_{G,1} - K_La(C_L^* - C_{L,1}) V_L$$ $$V_L \frac{dC_{L,1}}{dt} = L_0 C_{L,0} - L_1 C_{L,1} + K_La(C_L^* - C_{L,1}) V_L + \sum r \cdot V_L$$
   • Cân bằng oxy ở trạng thái dừng xác định tốc độ tiêu thụ oxy ($OUR$): $$OUR = r_{O_2} V_L = -N_0 \left(\frac{y_{0,inert}}{y_{1,inert}} y_{1,O_2} - y_{0,O_2}\right)$$
   • Phương trình xác định hệ số truyền khối thể tích ($K_La$) bằng phương pháp động học có xét đến độ trễ thời gian của điện cực ($\tau_E$), pha khí ($\tau_G$) và truyền khối ($1/K_La$): $$\int_0^\infty (1 - C_E') dt = \tau_G + \frac{1}{K_La} + \tau_E$$

3. Phương pháp cân bằng nguyên tố (Elemental Balancing):

   • Thiết lập hệ phương trình tỷ lượng viết theo đơn vị C-mol: $$CH_{b_1}O_{c_1}N_{d_1} + a CH_{b_4}O_{c_4}N_{d_4} + \beta O_2 \rightarrow \gamma CH_{b_2}O_{c_2}N_{d_2} + \delta CH_{b_3}O_{c_3}N_{d_3} + \epsilon H_2O + \zeta CO_2$$
   • Xác định véc-tơ thông lượng mol ($\phi$) để theo dõi động học tích lũy sinh khối và các sản phẩm nội bào như Poly-$\beta$-hydroxybutyric acid (PHB).

4. Thủy động lực học Bioreactor quy mô lớn:

   • Tương quan chênh lệch nồng độ động lực học trung bình logarit ($\Delta C_{LM}$) và trung bình số học ($\Delta C_{AM}$) so với mô hình khuấy trộn hoàn toàn ($\Delta C_{WM}$) khi xuất hiện gradient áp suất thủy tĩnh và nồng độ khí dọc theo chiều cao bồn lên men: $$\Delta C_{LM} = \frac{\Delta C_1 - \Delta C_2}{\ln(\Delta C_1 / \Delta C_2)}$$

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng phân tích kỹ thuật: Phân tích và lựa chọn đúng cảm biến (sensor), hiệu chuẩn điện cực theo dải nhiệt độ ($U_N(T) = U_N(25^\circ\text{C})(1 + \alpha_T t)$), xác định nguyên nhân gây trôi tín hiệu (drift), bám bẩn màng (fouling) hoặc suy giảm đáp ứng.
• Kỹ năng tính toán và mô hình hóa: Xây dựng mô hình toán động học phản ứng enzym, vi sinh vật, lên men tái tổ hợp; giải các hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền khối và phản ứng sinh học.
• Kỹ năng vận hành và điều khiển: Thiết lập các thuật toán điều khiển thích nghi, điều khiển dòng nạp cơ chất dựa trên tín hiệu $pH$ (pH-stat) hoặc $pO_2$ ($DO$-stat); vận hành các hệ thống phân tích khí thoát off-gas và ứng dụng hệ chuyên gia trong chẩn đoán lỗi vận hành.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận kỹ thuật hệ thống (systems engineering approach). Cấu trúc bài giảng đi từ nguyên lý hoạt động vật lý/hóa sinh của các phần tử cảm biến cấp cơ sở, tiến đến việc xây dựng hệ phương trình cân bằng vĩ mô, rồi tích hợp vào các thuật toán ước lượng và cấu trúc điều khiển vòng kín.

Trong thực hành và thảo luận chuyên đề, giáo trình cung cấp các bài toán tình huống thực tế:

• Tối ưu hóa sản xuất Penicillin G bằng nấm mốc Penicillium chrysogenum: Tối ưu hóa quỹ đạo nhiệt độ và $pH$ theo nguyên lý cực đại liên tục (Continuous Maximum Principle - Constantinides et al., King et al., Andreyeva & Biryukov); điều khiển bổ sung đường dựa trên tín hiệu $pO_2$ (Squires) hoặc tín hiệu $CPR$ (Mou & Cooney).
• Sản xuất sinh khối Chaetomium cellulolyticum: Sử dụng tốc độ tiêu thụ dung dịch kiềm để giữ $pH$ không đổi nhằm tính toán tốc độ sinh trưởng và điều khiển dòng cấp cơ chất tự động bằng bộ vi xử lý (Rosen & Schügerl).
• Sản xuất nấm men bánh mì (Saccharomyces cerevisiae): Điều khiển quá trình lên men phân đoạn có bổ sung (fed-batch) dựa trên hệ số hô hấp $RQ$ và cân bằng khối lượng oxy để cực đại hóa năng suất sinh khối, ngăn chặn sự tạo thành ethanol không mong muốn (Peringer & Blachere, Wang et al.).
• Nuôi cấy vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens: Điều khiển quá trình tạo enzym ngoại bào ở nồng độ oxy cực thấp (0.5% bão hòa) bằng vòng điều khiển thế oxy hóa khử $E_h$ (Memmert & Wandrey).

Phương pháp tự học và nghiên cứu tài liệu đòi hỏi người đọc phải nắm vững danh mục ký hiệu (List of Symbols and Abbreviations), phân tích kỹ các biểu đồ chuẩn hóa (đặc tính đáp ứng cảm biến, biểu đồ lưu biến học, đường cong động học $K_La$) và đối chiếu các phương trình toán học với các tài liệu trích dẫn nguyên bản ở cuối mỗi chương.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

So với ấn bản lần thứ nhất (First Edition), ấn bản lần thứ hai của bộ sách Biotechnology đã được tái cấu trúc toàn diện và mở rộng quy mô từ 10 lên 12 tập:

• Phát triển thành một tập chuyên khảo độc lập: Tập 4 được dành riêng cho chủ đề đo lường, mô hình hóa và điều khiển nhằm phản ánh bước tiến nhanh chóng của công nghệ vi tính và điện tử ứng dụng trong kỹ thuật sinh học.
• Tích hợp sâu công nghệ máy tính: Trình bày chi tiết các kỹ thuật thu thập dữ liệu trực tuyến, xử lý tín hiệu số, ước lượng trạng thái phần mềm (software sensors) và điều khiển tự động vòng kín (closed-loop computer control).
• Mở rộng các lĩnh vực mô hình hóa chuyên biệt: Bổ sung các chương mới hoàn toàn về mô hình hóa động học lên men vi sinh vật biến đổi gen/tái tổ hợp (Chương 15), ứng dụng Hệ chuyên gia trong chẩn đoán và vận hành bioreactor (Chương 19), cùng kỹ thuật mô hình hóa và điều khiển các công đoạn hạ nguồn (Downstream Processing - Chương 18).
• Đánh giá độ tin cậy của thiết bị công nghiệp: Trích xuất và phân tích dữ liệu thực tế về tần suất hư hỏng (failure rate) của các thiết bị đo lường công nghiệp từ các nhà máy hóa chất (Lees, 1976) và số liệu kiểm định tính năng thiết bị trên hệ bioreactor pilot 1 $\text{m}^3$ (Flynn, 1982).

Thiết bị đo / Biến số	Độ chính xác (Accuracy)	Độ lặp lại (Precision)	Độ phân giải (Resolution)	Tần suất hiệu chuẩn	Tỷ lệ hỏng hóc (Lees, 1976)
Nhiệt độ ($T$)	$\pm 0.4^\circ\text{C}$	$\pm 0.1^\circ\text{C}$	$0.05^\circ\text{C}$	Hàng tuần (W)	0.07 lỗi/năm
Đo pH	$\pm 0.1$ đơn vị	$\pm 0.05$ đơn vị	$0.01$ đơn vị	Mỗi mẻ (R)	0.65 lỗi/năm
Lưu lượng khí cấp	$\pm 2.0%$	$\pm 1.0%$	$0.2%$	Hàng tuần (W)	0.44 lỗi/năm (lưu lượng kế chênh áp)
Oxy hòa tan ($pO_2$)	$\pm 5.0%$	$\pm 3.0%$	$0.5%$	Mỗi mẻ (R)	0.41 lỗi/năm
Oxy khí thoát ($O_2$)	$\pm 0.05%$	$\pm 0.01%$	$0.0005%$	Hàng giờ (H)	0.70 lỗi/năm
$CO_2$ khí thoát	$\pm 0.05%$	$\pm 0.01%$	$0.0005%$	Hàng giờ (H)	0.70 lỗi/năm
Thể tích dịch lỏng	$\pm 1.0%$	$\pm 0.5%$	$0.5%$	Mỗi mẻ (R)	-

(Nguồn số liệu: Trích xuất từ thống kê của Lees (1976) và dữ liệu thực nghiệm bioreactor pilot 1 $\text{m}^3$ của Flynn (1982) tại Chương 1).

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

1. Sinh viên đại học năm cuối và Học viên cao học:

   • Thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Sinh học/Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Lên men và Công nghệ Thực phẩm.
   • Kiến thức tiên quyết cần có: Vi sinh vật học đại cương, Hóa sinh học, Hiện tượng truyền đạt (truyền nhiệt, truyền khối, thủy động lực học), Toán giải tích và Phương trình vi phân.

2. Giảng viên và Nhà nghiên cứu:

   • Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính hoặc tài liệu tham khảo khung cho các học phần chuyên sâu sau đại học.
   • Cung cấp cơ sở lý thuyết toán học và mô hình thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu về tối ưu hóa quá trình lên men, thiết kế thuật toán điều khiển và chế tạo cảm biến sinh học.

3. Kỹ sư vận hành và Cán bộ R&D tại các doanh nghiệp:

   • Kỹ sư công nghệ, kỹ sư tự động hóa làm việc tại các nhà máy sản xuất dược phẩm sinh học, hóa chất sinh học, xử lý nước thải và sản xuất sinh khối.
   • Ứng dụng tài liệu để lựa chọn thiết bị phân tích, thiết lập hệ thống giám sát khí off-gas, hiệu chuẩn cảm biến và tối ưu hóa điều kiện vận hành thiết bị quy mô pilot và công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp nhất với những đối tượng nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ sinh viên năm cuối, học viên cao học, nghiên cứu sinh, giảng viên các ngành Kỹ thuật Sinh học, Kỹ thuật Hóa học, cũng như các kỹ sư quá trình và chuyên gia nghiên cứu phát triển (R&D) trong ngành công nghiệp lên men và xử lý môi trường.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi nghiên cứu tập sách này?

Người học cần có kiến thức vững chắc về:

• Toán học vi tích phân và phương trình vi phân ứng dụng.
• Cơ học lưu chất và các hiện tượng truyền khối, truyền nhiệt.
• Hóa sinh học vi sinh vật và nhiệt động học phản ứng.
• Lý thuyết điều khiển tự động cơ bản.

3. Điểm khác biệt căn bản giữa giáo trình này và các tài liệu kỹ thuật sinh học khác là gì?

Tập sách tập trung chuyên sâu vào giao diện giữa kỹ thuật đo lường thực tế (vật lý, hóa học, điện hóa) với việc thiết lập mô hình toán học cân bằng và thuật toán điều khiển tự động trên máy tính. Nội dung không dừng lại ở mức mô tả định tính mà cung cấp phương trình toán học chi tiết, phân tích lan truyền sai số và dẫn chứng trực tiếp từ các dữ liệu vận hành công nghiệp.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao nhất?

Nên học theo lộ trình tuần tự:

• Nắm vững nguyên lý và giới hạn sai số của các thiết bị đo (Chương 1 - 3).
• Thực hành thiết lập các phương trình cân bằng pha, cân bằng khí trơ, cân bằng nguyên tố (Chương 2).
• Khảo sát các kỹ thuật đo lường và ước lượng trạng thái trong bioreactor (Chương 4 - 8).
• Nghiên cứu mô hình toán học và các trường hợp điển hình cụ thể (Chương 9 - 15).
• Tìm hiểu các thuật toán điều khiển, tự động hóa và hệ chuyên gia (Chương 16 - 19).

5. Có tài liệu bổ trợ nào được khuyến nghị sử dụng song hành?

Theo hướng dẫn của Ban biên tập, Tập 3 của bộ sách mang tên Bioprocessing được khuyến nghị sử dụng trực tiếp làm tài liệu đồng hành (companion volume) để kết nối hoàn chỉnh giữa nguyên lý công nghệ quá trình và kỹ thuật đo lường, điều khiển.

---

Kết luận

Tập 4 Measuring, Modelling, and Control thuộc bộ chuyên khảo Biotechnology (Second Edition) của Nhà xuất bản VCH là tài liệu học thuật tiêu chuẩn, định hình hệ thống kiến thức từ thiết bị đo lường, kỹ thuật phân tích on-line, mô hình hóa toán học đến tự động hóa quá trình sinh học. Cuốn sách cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng, phương trình cân bằng và phương pháp luận kỹ thuật chặt chẽ, hỗ trợ hiệu quả cho công tác đào tạo đại học, sau đại học và nghiên cứu ứng dụng trong kỹ thuật quá trình sinh học hiện đại.

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.