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出版者:Springer

作者:Jens Nielsen

出品人:

页数:540

译者:

出版时间:2002-12-31

价格:USD 195.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780306473494

丛书系列:

图书标签:

• Bioreaction Engineering
• Biochemical Engineering
• Chemical Engineering
• Biotechnology
• Reaction Kinetics
• Mass Transfer
• Transport Phenomena
• Process Design
• Bioprocesses
• Industrial Biotechnology

工业催化剂的分子设计与合成 导论：催化科学的基石 本书深入探讨了现代催化剂设计的核心原理与前沿实践。催化剂是化学工业的命脉，其性能直接决定了生产效率、能耗以及环境友好性。本书旨在为研究人员、工程师和高级学生提供一个全面、系统的框架，用以理解和掌握如何从分子层面设计、合成和表征高性能多相、均相及酶催化剂。 我们将从热力学和动力学的基本原理出发，阐释催化反应的内在机制，聚焦于活性位点的形成、稳定性和选择性调控。传统的催化剂设计往往依赖经验试错法，而本书强调的则是基于理论计算和结构导向的理性设计策略。 第一部分：多相催化剂的设计与表征 多相催化是石油化工、精细化学品生产和环保技术中应用最广泛的催化形式。本部分将重点解析如何构建和优化固/液或固/气界面上的反应中心。 第1章：载体材料的选择与功能化 载体（如氧化铝、二氧化硅、沸石和碳材料）不仅是分散贵金属颗粒的骨架，其本身的酸碱性质和孔道结构也直接影响催化剂的宏观性能。 孔结构控制： 深入分析了介孔、微孔和宏孔材料的制备技术（如软模板法、硬模板法），探讨孔径分布对反应物扩散和产物分离的影响。特别关注了“孔道限域效应”在提高选择性中的作用。 表面化学修饰： 详细阐述了表面羟基的官能化技术，包括硅烷偶联剂接枝、离子交换以及原位生长第二相氧化物以调控界面电子结构。探讨了如何通过表面锚定位点来精确控制活性物种的负载量和分散度。 第2章：活性物种的形貌控制与尺寸效应 催化活性中心（如金属纳米颗粒、金属氧化物簇）的尺寸、晶面暴露和氧化态是决定催化性能的关键因素。 纳米颗粒的尺寸调控： 比较了沉积-还原法、浸渍法、微乳液法等制备纳米颗粒的方法，并利用先进的表征技术（如球差校正透射电镜）对颗粒的尺寸分布进行定量分析。着重讨论了“尺寸量子效应”在小尺寸颗粒上引起的电子结构变化。 晶面工程： 解释了不同晶面（如Pt(111)与Pt(100)）对吸附物结合能的差异。通过对前驱体的选择性吸附或利用定向生长技术，实现特定高活性晶面的富集，进而指导催化剂的设计方向。 合金化与双金属催化剂： 剖析了合金效应（Ligand Effect）和核壳结构（SMSI效应）如何通过电子转移和几何屏蔽来优化催化剂的稳定性和抗中毒能力。 第3章：先进原位表征技术在多相催化中的应用 要理解催化反应，必须在反应条件下观察活性物种的真实状态。本章重点介绍如何利用尖端技术实时监测催化过程。 反应器集成光谱学： 详细介绍了原位X射线吸收谱（XAS）、拉曼光谱和红外光谱（DRIFTS）如何确定催化剂表面的氧化态、配位数和表面物种结构。特别关注了用于监测反应中间体的“快速扫描技术”。 环境敏感型电化学表征： 阐述了原位质谱（AP-MS）和反应气体色谱分析在监测微量副产物和表面脱附过程中的应用。 第二部分：均相催化剂的理性设计与合成 均相催化剂因其结构明确、易于调控活性和选择性，在精细化学品合成中占据重要地位。本部分侧重于配位化学和有机金属化学在催化剂设计中的应用。 第4章：配体工程与催化剂骨架的构建 配体是均相催化剂的“灵魂”，它通过影响中心金属原子的电子密度和空间位阻来控制反应路径。 空间位阻的几何控制： 探讨了膦配体（如BINAP、Josiphos衍生物）中空间位阻如何影响过渡态的能量垒，这是实现高对映选择性的关键。引入了“有效锥角”的概念，并分析了其在不对称氢化、偶联反应中的应用。 电子效应的微调： 分析了供电子和吸电子配体对金属中心氧化还原潜能的影响。通过调整配体上取代基的电负性，实现对催化循环中关键氧化加成或还原消除步骤的活化。 新型骨架的构建： 介绍N-杂环卡宾（NHC）配体、手性氧氮杂环配体在稳定高活性、低价态金属物种中的成功案例。 第5章：催化循环的机制解析与活性优化 理解催化循环中每一个单步的速率决定步骤（RDS）是提高催化剂周转频率（TOF）的基础。 关键步骤的动力学研究： 结合密度泛函理论（DFT）计算，分析了催化循环中配体交换、氧化还原和产物解离的能垒。如何通过配体设计来降低RDS的能垒。 惰性步骤的激活： 针对均相催化中常见的惰性C-H键活化，探讨了“通路选择性”的调控策略，包括如何利用引导基团（Directing Groups）精确地将金属中心导向目标C-H键。 催化剂的寿命与失活： 分析了均相催化剂失活的主要机理，如配体分解、金属聚集和氧化。讨论了如何通过引入“稳定化”或“自修复”配体来提高催化剂的长期稳定性。 第三部分：生物催化与界面工程 生物催化以其卓越的选择性（区域、化学和对映选择性）和在温和条件下的操作能力，正成为绿色化学的重要方向。 第6章：酶的定向进化与固定化技术 本章关注如何将天然酶的优势转化为工业可用的催化剂。 定向进化策略： 详细介绍了基于高通量筛选的“DNA扫描”和“基于活性的突变”技术，以提高酶对非天然底物的耐受性、热稳定性和催化效率。 酶的化学修饰与功能化： 探讨了共价交联、聚合载体包埋以及活性位点邻近的化学修饰技术，用于增强酶在有机溶剂中的稳定性。 酶的固定化策略： 比较了吸附法、共价键合法和酶交联（CLEAs）的优缺点。重点分析了固定化酶的传质限制问题，以及如何通过调节载体孔隙率来缓解此问题。 第7章：催化剂的反应器集成与过程放大 最终，高效的催化剂必须能在工业规模的反应器中稳定运行。 反应器设计与流体力学： 分析了固定床、流化床、搅拌槽反应器在不同催化体系中的适用性。探讨了催化剂的粒度、压降和热点效应在放大过程中的重要性。 可持续性评估： 引入“原子经济性”、“E-因子”和“绿色化学十二原则”作为评估催化剂性能的最终标准。讨论如何设计可回收、可再生的催化系统，以最小化环境足迹。 本书内容结构严谨，从基础科学原理出发，逐步深入到前沿的工程应用与技术集成，为读者提供了一个理解和创新催化剂设计领域的权威指南。

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在我职业生涯的初期，生物反应器只是我工作中一个模糊的概念，更多的是依赖于经验和一些零散的技术手册。这本书的出现，可以说是彻底改变了我对这个领域的看法。它提供了一个非常系统且深入的视角，让我能够从根本上理解生物反应器的设计、操作和优化。书中对于生物反应器内物质传递和能量传递的讲解尤为详尽，作者通过大量的图示和计算实例，清晰地展示了这些物理过程如何影响生物体的生长和产物形成。我特别赞赏作者在讨论传质时，引入了“表面积/体积比”这个概念，并将其与细胞的代谢活动紧密联系起来。这让我意识到，反应器的几何形状和结构设计，对于提高传质效率至关重要。书中对于不同类型反应器的比较分析，也让我受益匪浅。无论是经典的搅拌釜式反应器，还是更为先进的膜反应器或生物芯片，作者都对其工作原理、适用范围以及优缺点进行了深入的剖析。这让我能够根据具体的生物过程需求，更明智地选择合适的反应器类型。此外，书中还对生物反应器的稳定性分析进行了详细的介绍，包括对各种扰动因素的敏感性分析以及如何提高反应器的稳定性。这对于我来说是至关重要的，因为在实际生产中，反应器的稳定性直接关系到产品的质量和产量。这本书让我从一个“会操作”的初学者，迈向了一个“能理解并优化”的专业人士。

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作为一名长期在生物化工领域工作的工程师，我一直认为自己对生物反应器已经有了相当深入的理解。然而，这本书的出现，无疑将我的认知提升到了一个新的高度。书中对于生物反应器内传质和传热过程的讲解，远超我以往的理解。作者以一种非常直观的方式，阐述了如何通过优化反应器的结构和操作参数，来提高氧气传递效率和有效传热面积。我特别欣赏书中关于“功率输入/体积”这一概念的深入探讨，以及它如何与搅拌效率、细胞损伤等因素相互关联。这让我意识到，单纯地增加搅拌速度，并不总是能带来最佳的反应效果。此外，书中对生物反应器的动力学模型进行了非常详尽的介绍，包括非稳态动力学、多相反应动力学以及考虑产物抑制的动力学模型。这让我能够更精确地预测反应器的行为，并进行更优化的操作。我尤其对书中关于“反应器稳定性分析”的章节印象深刻。作者通过对不同扰动因素的敏感性分析，让我深刻理解了如何设计出更具鲁棒性的反应器。在我以往的工作中，我们常常会遇到一些难以解释的产量波动，读完这一章节后，我才意识到很多问题可能就根源于反应器本身的不稳定性。书中还对各种先进的生物反应器类型，如生物膜反应器、微通道反应器等，进行了深入的分析，并探讨了它们在不同生物过程中的应用前景。这让我看到了生物反应工程未来的发展方向。

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从一个完全的门外汉的角度来看，这本书无疑是一座知识的宝库，它以一种非常易于理解的方式，将生物反应工程这个听起来有些枯燥的学科，变得生动有趣。我之前对生物反应器的认知，可能仅仅停留在“一个罐子里进行化学反应”的层面。但是，这本书让我认识到了其背后蕴含的深刻科学原理。作者在介绍生物反应器设计的各个组成部分时，都进行了非常细致的讲解。比如，在谈到搅拌系统时，他不仅仅列举了不同类型的搅拌器，还深入探讨了搅拌效率、混合均匀性以及剪切力对细胞的影响。我之前从未想过，一个简单的搅拌器，竟然会对微生物的生长产生如此大的影响。书中还用了大量的篇幅来讲解物质传递，包括氧气、营养物质等在反应器内的扩散和溶解过程。我特别喜欢作者用直观的例子来解释这些抽象的概念，比如将氧气传递比作“空气中的氧气如何找到并进入水中的小鱼”，这样的比喻让我更容易理解复杂的传质过程。此外，书中对于不同生物过程（如发酵、酶催化、细胞培养等）的反应器选择和设计也进行了详细的阐述，并给出了相应的案例分析。这让我能够将书中的理论知识与实际应用联系起来，更好地理解不同工艺对反应器设计的具体要求。我尤其印象深刻的是书中关于放大效应的讨论，作者非常清晰地解释了为什么从实验室规模的反应器放大到工业规模时，一些参数（如氧气传递速率）并不能简单地按比例缩放，这让我避免了在未来可能遇到的放大问题。

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这是一本让我对生物反应器设计和优化产生了全新认识的书。在我最初拿到这本书时，我其实对“生物反应工程”这个领域并不是特别熟悉，只知道它和生物制药、生物化工等领域息息相关。然而，阅读完这本书，我发现我对生物反应器的理解已经从一个模糊的概念，变成了一个相对清晰的框架。作者在开篇就非常系统地介绍了生物反应器的基本原理，从最基础的微生物生长动力学，到能量传递、物质传递，再到反应器的设计要素，层层递进，逻辑严谨。我尤其喜欢其中关于传质和传热章节的处理方式。作者不仅仅是罗列了各种公式，而是深入浅出地解释了这些概念在实际生物反应器中的重要性，以及它们如何影响细胞的生长和产物的形成。例如，在讲解氧气传递时，作者通过生动的比喻和图示，让我理解了气泡大小、搅拌速度、填料类型等因素是如何影响氧气溶解度的，这对于我日后在实际操作中评估反应器性能至关重要。此外，书中对不同类型生物反应器的介绍也相当详尽，包括搅拌釜式反应器、固定床反应器、流化床反应器等等，并对它们的优缺点进行了深入的比较分析。这让我能够根据不同的生物过程，选择最适合的反应器类型，从而提高生产效率和经济效益。在我之前的工作中，我们常常遇到一些难以解释的产量波动问题，读完这本书后，我才意识到很多问题可能就根源于反应器内部的传质或传热不均，或者动力学模型没有被充分考虑。现在，我能够更有针对性地去分析和解决这些问题了。这本书不仅仅是理论的堆砌，更注重实际应用，这一点非常难得。

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这本书为我打开了一个全新的视角，让我看到了生物反应器设计中那些被我忽略的细节。我之前可能更关注的是“输入什么，输出什么”，而这本书则让我明白了“中间发生了什么”。作者在讲解能量传递时，不仅仅关注了热量的输入和输出，还深入探讨了能量如何在反应器内部以各种形式进行转化，以及这些转化过程对生物过程可能产生的影响。我特别喜欢书中关于“流体力学”和“混合”的章节。作者通过直观的流线图和速度分布图，让我清晰地看到了不同搅拌器类型在反应器内部产生的流动模式，以及这些流动模式如何影响物质的混合和传质。这让我明白了为什么有时候，我们调整搅拌速度，并不能带来期望的改善。书中对不同类型生物反应器的操作条件和优化策略的详细论述，也让我受益匪浅。我尤其对书中关于“过程监测和控制”的章节印象深刻。作者介绍了各种先进的在线监测技术，以及如何利用这些数据来优化反应器的操作，从而提高产品收率和降低能耗。这让我看到了生物反应工程在智能化和自动化方面的巨大潜力。

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这本书给我带来的不仅仅是知识的增长，更重要的是思维方式的转变。在我阅读这本书之前，我对生物反应器的理解，更多的是一种“黑箱”式的操作，即输入原料，输出产品，中间的过程只是模糊的认知。然而，这本书则揭示了“黑箱”内部的奥秘。作者在讲解动力学模型时，引入了非稳态过程和多相反应的概念，这让我认识到生物反应过程的复杂性远超我的想象。我特别喜欢书中关于“生物反应器放大”这一章节的论述。作者通过详细的计算和分析，揭示了放大过程中可能遇到的各种挑战，例如混合不均、传质限制等，并提出了相应的解决方案。这让我深刻体会到，实验室规模的成功并不意味着工业规模的复制，科学的放大设计是必不可少的。书中还对不同类型的生物反应器，如固定床反应器、流化床反应器以及膜反应器等，进行了详尽的介绍和比较。我尤其对其中关于固定床反应器中填料选择和堵塞问题对传质效率的影响的分析印象深刻。这让我认识到，即使是反应器内部的一个小小的填料，其选择也需要充分考虑其对整个反应过程的影响。此外，书中还涉及了生物反应器内的过程控制和优化问题，并提供了大量的案例分析。这让我能够将书中的理论知识应用于实际生产中，从而提高生产效率和产品质量。总而言之，这本书让我从一个“经验型”的操作者，成长为一个“理论指导实践”的设计者。

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这本书对我来说，就像一本开启生物反应器工程“内在逻辑”的钥匙。它没有直接教我如何操作某个具体的反应器，而是让我明白了“为什么”这样做。作者在讲解反应器设计时，始终围绕着“效率”和“稳定性”这两个核心展开。我尤其喜欢他对“质量传递系数”和“传热系数”的深入讲解。他不仅仅罗列了公式，更重要的是，他解释了这些系数是如何受到流体力学、传热传质机制以及操作条件等多种因素的影响。这让我能够从根本上理解，为什么在某些情况下，增加搅拌速度反而会降低传质效率。书中对不同类型反应器的性能比较，也让我非常受启发。作者通过大量的计算和实验数据，清晰地展示了每种反应器在不同应用场景下的优劣势。这让我能够摆脱“非此即彼”的思维定势，更灵活地选择和组合不同的反应器技术。我尤其对书中关于“生物过程的放大效应”的章节印象深刻。作者详细阐述了从实验室到工业规模放大过程中可能遇到的各种问题，例如混合均匀性、传质效率下降以及温度控制困难等，并提出了相应的解决方案。这让我深刻认识到，科学的放大设计是实现工业化生产的关键。

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这本书给我带来的最大冲击，莫过于它对生物反应器“从零开始”的系统性讲解。我之前接触过的许多技术书籍，往往直接切入主题，省略了许多基础知识。而这本书则从微生物生长动力学最基本的原理讲起，层层递进，将复杂的生物反应工程概念，梳理得清晰明了。作者在讲解物质传递时，不仅仅给出了公式，更重要的是，他通过生动的比喻和详细的图示，让我理解了物质在反应器内是如何移动的，以及哪些因素会影响其移动效率。例如，在解释氧气传递时，他将反应器内的液体比作一个“游泳池”，而氧气则是一些“匆忙寻找氧气泡泡的游泳者”。这样的比喻，让我瞬间抓住了核心概念。书中对于不同类型生物反应器的设计和优缺点分析，也让我受益匪浅。无论是搅拌釜式反应器、空气升液式反应器，还是固定床反应器，作者都进行了非常详细的介绍，并给出了具体的应用案例。这让我能够根据不同的生物过程，选择最适合的反应器类型，从而提高生产效率和降低成本。尤其让我印象深刻的是书中关于“细胞损伤”的讨论，作者详细分析了机械剪切力、剪切应力以及气泡撞击等因素对细胞活性的影响，并提出了相应的缓解措施。这让我深刻认识到，在设计和操作生物反应器时，不仅要关注产物的生成，更要关注对细胞的保护。

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坦白说，在开始阅读这本书之前，我对于生物反应器工程的理解，更多的是一种“经验主义”的认知。我习惯于按照已有的配方和操作手册来执行，而很少去深入探究其背后的科学原理。然而，这本书则像一位睿智的导师，将我从“经验主义”的迷宫中引导出来，让我看到了生物反应器设计和优化的“科学逻辑”。作者在讲解动力学模型时，引入了“稳态”和“非稳态”两种模式，并详细阐述了它们各自的适用范围和局限性。这让我明白，并非所有的生物反应都能用简单的稳态模型来描述。我尤其欣赏书中关于“生物反应器放大”的详细论述。作者通过引入“功率输入/体积”和“传质系数”等关键参数，让我理解了放大过程中可能遇到的挑战，以及如何通过合理的参数选择来克服这些挑战。这让我能够避免在未来可能犯下的低级错误。书中对各种先进生物反应器类型的介绍，如膜反应器、微反应器以及生物芯片等，也让我大开眼界。我尤其对其中关于“细胞固定化技术”的详细介绍印象深刻，这让我看到了在反应器中实现高效细胞利用的多种可能性。总而言之，这本书让我从一个“操作者”成长为一个“理解者”，并为我日后的学习和工作打下了坚实的基础。

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说实话，在开始阅读这本书之前，我对生物反应器工程的理解仅限于一些零散的知识点，感觉就像是拼凑起来的碎片。这本书则像一位经验丰富的工程师，把我这些碎片一一串联起来，并填充了大量我之前从未接触过的细节。让我印象最深刻的是关于反应器动力学建模的部分。作者并没有直接抛出复杂的数学模型，而是循序渐进地从最简单的细胞生长模型，如Monod模型，逐步引入了更复杂的模型，比如考虑产物抑制、底物底物相互作用以及多底物反应的模型。他非常细致地解释了每个模型背后的生物学假设，以及如何通过实验数据来确定模型的参数。这对于我来说是革命性的！我之前一直觉得模型只是纸面上的东西，但这本书让我看到了模型在实际工程中的巨大价值——它可以帮助我们预测反应器的行为，优化操作条件，甚至在某些情况下，可以指导我们进行反应器的放大设计。举个例子，书中对发酵过程中pH值、温度等操作参数的控制策略进行了详细的论述，并给出了相应的控制回路设计思路。这让我明白了为什么在实际生产中，一些微小的参数波动都可能导致最终产量的巨大差异。更让我惊喜的是，书中还涉及了一些先进的反应器设计理念，比如连续流反应器和微反应器，并讨论了它们在生物过程中的潜在应用。虽然这些技术对我目前的工作来说可能还比较遥远，但了解这些前沿知识，无疑拓宽了我的视野，让我对生物反应工程的未来发展有了更清晰的认识。总而言之，这本书让我从一个“知道点”的初学者，变成了一个“理解面”的学习者。

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