Process Development in Antibiotic Fermentations pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Calam, C. T.

出品人:

页数:228

译者:

出版时间:2008-6

价格:$ 66.67

装帧:

isbn号码:9780521065528

丛书系列:

图书标签:

• Antibiotic Fermentation
• Process Development
• Bioprocessing
• Fermentation Technology
• Industrial Microbiology
• Scale-Up
• Optimization
• Downstream Processing
• Microbial Fermentation
• Biotechnology

《先进生物工艺学：从实验室到规模化生产的策略与实践》 本书简介 在生物技术飞速发展的今天，将实验室的突破性发现转化为高效、可控且经济的规模化生产，是生物制药、工业酶制剂、生物燃料乃至新型材料开发领域面临的核心挑战。本书《先进生物工艺学：从实验室到规模化生产的策略与实践》，正是针对这一关键环节，提供了一套全面、深入且极具实操指导意义的框架和方法论。 本书并非聚焦于特定生物分子或特定发酵的优化，而是着眼于生物工艺的普遍规律、工程学原理以及跨领域通用的放大（Scale-Up）与优化策略。它旨在弥合基础科学研究与工业工程实践之间的鸿沟，为生物工艺工程师、研发科学家以及项目管理者提供一套系统性的工具箱。 --- 第一部分：生物工艺的本质与设计基础 第一章：生物过程的系统论视角 本章首先将生物反应器视为一个复杂的耦合系统，强调了生化反应、传质（Mass Transfer）与能量传递（Heat Transfer）之间的相互依赖性。我们深入探讨了系统思维在生物工艺设计中的重要性，包括如何界定清晰的边界条件、识别关键的耦合效应，以及如何运用因果回路图（Causal Loop Diagrams）来理解复杂反馈机制，而非孤立地优化单个参数。 第二章：培养基与营养动力学的高维分析 营养源的选择与配置是决定生物过程经济性的基石。本书超越了传统试剂配比的讨论，重点介绍了高通量筛选技术（HTS）在培养基组分优化中的应用。内容涵盖： 1. 代谢流分析（MFA）指导下的营养源替换： 如何根据目标产物的代谢路径需求，理性设计碳源、氮源、微量元素的配比，减少副产物生成。 2. 动态进料策略的理论模型： 详细阐述了恒定比率补料（Fed-Batch）与延迟进料（Pulsed Feeding）的动力学模型，并引入了基于实时代谢指标（如呼吸商、产物形成速率）的自适应进料控制算法。 3. 替代性与可持续性原料评估： 探讨了利用农业废弃物或廉价碳源进行生物转化的工程挑战与解决方案，关注过程的绿色化与成本控制。 第三章：生物反应器工程学的核心挑战——传质与传热 在扩大生产规模时，反应器内的物理环境往往成为限制产率的首要因素。本章聚焦于流体力学（Hydrodynamics）在不同类型反应器中的影响： 1. 气液传质效率（kLa）的精确评估与调控： 详细对比了搅拌式反应器（Stirred Tank Reactors, STRs）、气升式反应器（Airlift Reactors）在不同剪切力下的性能差异，并给出了基于计算流体力学（CFD）预测与实验验证相结合的放大准则。 2. 剪切力对敏感细胞的评估与保护： 针对哺乳动物细胞、原虫等对机械损伤敏感的体系，提出了多级剪切力测试方法，并讨论了先进的低剪切力混合技术（如磁力驱动系统、脉冲式通气）的应用。 3. 温度场的均匀性与热点控制： 在高密度发酵或高放热反应中，温度梯度对细胞生理的影响至关重要。本章提供了精确的热量平衡模型和夹套/内盘管冷却效率的计算方法。 --- 第二部分：过程控制、放大与稳健性（Robustness） 第四章：过程分析技术（PAT）的集成与实时决策 现代生物工艺强调“质量源于设计”（QbD）。PAT的应用是实现过程实时监控和预测性控制的关键。本书详述了如何构建一个集成化的PAT系统： 1. 光谱学方法的深度应用： 拉曼光谱（Raman）、近红外光谱（NIR）在罐内实时监测底物消耗、生物量变化和目标产物浓度的定量模型建立与校准（Calibration）。 2. 高级传感器与生物电化学探针： 介绍用于监测细胞生理状态（如氧化还原电位、膜电位）的新型生物传感器，及其在预测细胞衰亡或代谢漂移中的作用。 3. 多变量数据处理与软测量（Soft Sensing）： 利用偏最小二乘法（PLS）等多元统计方法，将复杂的多维传感器数据转化为易于操作的软测量模型，实现对难以直接测量的关键质量属性（CQAs）的实时估计。 第五章：从实验室到中试的放大（Scale-Up）工程学 放大并非简单的体积倍增。本章系统梳理了主流的放大策略及其背后的工程假设： 1. 恒定比率放大准则的局限性分析： 详细对比了“恒定搅拌速度”、“恒定比功率输入”（P/V）、“恒定传质系数”（kLa）以及“恒定细胞生长速率”等不同准则在不同工艺阶段的适用性与冲突点。 2. 放大风险矩阵（Scale-Up Risk Matrix）： 建立一套评估和量化不同工程参数（如混合时间、氧转移速率）在放大过程中偏离容许范围的风险评估工具。 3. 阶段性验证与“放大包”（Scale-Up Package）： 描述了如何构建一套完整的技术转移文件，确保从毫升级到千升级的连续、可重复的性能转移。 第六章：培养动力学的建模与优化 本章深入探讨了如何利用数学模型来指导工艺的优化，超越试错法的局限性： 1. 结构化与非结构化模型： 比较了基于Monod、Luedeking-Piret等经典方程的非结构化模型与基于代谢网络构建的结构化模型的优缺点，并指导读者选择合适的模型复杂性。 2. 灵敏度分析与参数估计： 如何利用实验数据对模型参数进行可靠估计（Parameter Estimation），并通过灵敏度分析找出影响过程性能的最关键变量，从而集中资源进行针对性优化。 3. 过程控制的优化： 应用模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）原理，展示如何根据模型对未来状态的预测，提前调整控制输入，实现对目标产物产率和批次时间的整体优化。 --- 第三部分：下游集成与过程经济性 第七章：下游分离过程的前置设计与耦合效应 收获的生物液体是复杂的混合物，其特性直接决定了下游分离的难度和成本。本书强调“分离与收获（Harvesting）的前置设计”： 1. 澄清与初级分离的工程选择： 离心、膜过滤（微滤、超滤）与深层过滤的选择标准，重点关注如何通过优化上游工艺（如细胞沉降性、膜污染控制）来简化下游操作。 2. 目标产物稳定性与缓冲液设计： 阐述了目标分子（如重组蛋白、小分子代谢物）在不同pH、离子强度和温度下的稳定性研究，指导分离过程的缓冲体系设计，最大限度地减少变性损失。 3. 连续化与集成： 探讨了如何将发酵、澄清与初步纯化步骤进行集成，例如，使用循环或振荡进出料的膜技术（Tangential Flow Filtration, TFF）以实现连续收获。 第八章：过程经济性分析与投资回报率（ROI）评估 任何工业过程的最终目标都是实现可持续的经济效益。本章提供了严谨的经济评估工具： 1. 成本要素分解（Cost of Goods Sold, COGS）： 详细分解了生物工艺的主要成本驱动因素：原材料成本、折旧摊销、能源消耗、人力成本和质量控制/验证成本。 2. 敏感性分析与决策树： 运用蒙特卡洛模拟等方法，对关键不确定性参数（如最终产率、回收率）进行敏感性分析，为不同规模的投资决策提供量化依据。 3. 过程强化（Process Intensification）的经济效益评估： 评估采用新型反应器、连续操作模式或高效分离技术对单位体积产量和资本支出（CAPEX）的净影响。 --- 总结 《先进生物工艺学》不仅仅是一本关于“如何发酵”的书，它是一本关于“如何设计、控制和优化一个从细胞到产品的完整工业系统”的工程学指南。本书通过结合生物学理解、化学工程原理和先进的数据分析技术，为读者提供了跨越工艺开发周期的全面视角，确保新一代生物产品能够以最高的效率、质量和成本效益推向市场。

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