具体描述
《生物基产品过程工程》是一本系统专著，与美国Nova Sciencen Publishers,lnc.合作出版，英文版同期推出，全书内容特色如下： 从生物质原料组分复杂性，过程工程的“过程集成”和产品工程的“结 构与功能”等关键问题入手，分析生物基产品转化过程中的共性问题； 在综合多学科知识的基础上，提出“生物基产品过程工程”这一理念， 从原料、转化过程和产品开发三个角度系统阐述了生物质分层多级转化体系，为生物基产品过程工程的发展提供理论和技术支持； 同时介绍了生物基产品过程工程的关键技术平台，以及应用这些平台技术实现生物质原料分层多级集成利用，建立生物基产品生态产业新模式。《生物基产品过程工程》可供生物工程、发酵工程、生物技术等领域的研究生和其他研究人员阅读，也可供生物技术企业的管理和技术人员参考。
《生物基产品过程工程》 内容简介 《生物基产品过程工程》一书深入探讨了利用可再生生物质资源制造各种产品的工程原理和实践。本书旨在为读者提供一个全面而系统的知识框架，涵盖从生物质的预处理、生物转化到产品分离与纯化的全过程。它不仅梳理了当前生物基产品生产的关键技术和发展趋势，更着重于分析和优化这些过程的工程学挑战，以期实现高效、经济、环保的生物制造。 第一部分：生物质原料与预处理 本书的第一部分重点关注作为生物基产品生产基础的生物质原料。我们将详细介绍不同类型生物质的来源、组成及其特点，包括但不限于农作物秸秆、木质纤维素、微藻、细菌纤维素以及食品工业副产物等。理解生物质的多样性和复杂性是后续工艺设计的基础。 生物质的组成与结构： 详细解析纤维素、半纤维素、木质素等主要组分的化学结构、物理性质及其相互作用。深入探讨不同生物质原料在这些组分比例和结合方式上的差异，以及这些差异如何影响其可加工性。 生物质的预处理技术： 这是将复杂生物质转化为可利用组分的关键步骤。本书将系统阐述各类预处理方法的原理、优缺点及适用范围。 物理预处理： 如粉碎、研磨、膨胀等，旨在减小粒径、增加比表面积，提高后续化学或生物处理的效率。 化学预处理： 包括酸/碱水解、有机溶剂处理（如乙醇、离子液体）、过氧化物处理等。深入分析这些方法如何有效解聚纤维素、半纤维素，并分离木质素。着重探讨溶剂回收、副产物生成及环境影响。 热化学预处理： 如蒸汽爆破、热水处理、超临界水处理等。阐释高温高压条件下水分子的反应机理，以及如何实现高效的生物质解构。 生物预处理： 利用微生物或酶的催化作用，对生物质进行选择性降解。介绍不同微生物菌株的特性，以及酶催化过程的优势和局限性。 预处理过程的工程考量： 在这一部分，我们将从工程学的角度审视预处理过程。这包括： 反应器设计： 根据不同的预处理方法，探讨适用于大规模生产的反应器类型，如搅拌釜反应器、固定床反应器、流化床反应器等，并分析其传质、传热特性。 能量效率与成本分析： 评估不同预处理技术的能耗，并结合原料成本、试剂成本、设备折旧等进行初步的经济性分析。 环境友好性： 关注预处理过程中可能产生的废水、废气和固体废弃物，并探讨相应的处理和回收技术，以满足可持续发展的要求。 过程集成与优化： 探讨如何将不同的预处理步骤有机结合，形成高效的预处理流程，并利用模拟软件进行过程优化，降低能耗和物耗。 第二部分：生物质的生物转化 本书的第二部分将聚焦于将预处理后的生物质组分转化为目标生物基产品的关键环节——生物转化。这通常涉及微生物发酵、酶催化等生物技术。 微生物发酵技术： 微生物种类的选择与构建： 介绍工业上常用的产油酵母、产酸细菌、产聚合物的微生物等。讨论基因工程和代谢工程在改造微生物以提高产率、选择性或耐受性方面的应用。 发酵过程的工程参数控制： 详细分析发酵过程中的关键控制参数，如温度、pH、溶解氧、搅拌速率、底物/产物浓度等。阐述这些参数如何影响微生物的生长、代谢和目标产物的合成。 发酵工艺设计： 介绍不同类型的发酵模式，如分批发酵、连续发酵、补料分批发酵等，并分析其各自的优缺点和适用场景。 生物反应器设计与操作： 深入探讨各种发酵罐的设计要点，包括搅拌系统、通气系统、温度控制系统、无菌操作等。分析传质（氧传递）、传热以及混合效率在大型发酵过程中的重要性。 发酵过程的放大效应： 讨论从小试到中试再到工业化生产过程中，发酵过程可能遇到的放大挑战，如氧传递受限、混合不均、温度控制困难等，并提出相应的工程解决方案。 酶催化技术： 酶的来源与特性： 介绍工业生产中常用的酶，如纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等，并阐述其催化机制、反应动力学特性、最适反应条件等。 酶固定化技术： 探讨酶固定化对提高酶的稳定性、可回收性和降低生产成本的重要性。介绍常见的固定化方法，如吸附法、共价键合法、包埋法、交联法等，并分析其优缺点。 酶催化反应器设计： 介绍适用于酶催化反应的反应器类型，如固定床反应器、填充床反应器、膜反应器等，并分析其在传质、传热和产物分离方面的特点。 酶催化过程的优化： 讨论通过调控反应物/产物浓度、pH、温度、溶剂体系等参数，以及优化酶的用量和反应时间，来提高酶催化反应的效率和选择性。 化学催化转化： 尽管本书侧重于生物转化，但也会简要介绍一些重要的生物质化学转化过程，例如生物质平台化合物（如糠醛、羟甲基糠醛、左旋糖酸等）的化学催化生产，以及将其进一步转化为高附加值化学品的催化反应。重点分析催化剂的选择、反应条件的设计以及催化剂的再生与回收。 第三部分：产品分离与纯化 获得目标产物后，需要高效地将其从复杂的发酵液或反应混合物中分离出来并达到所需的纯度。本书的第三部分将详细介绍生物基产品分离与纯化的主要技术。 固液分离技术： 过滤与离心： 介绍不同类型的过滤器（板框式、带式、膜过滤器等）和离心机，并分析其在分离微生物细胞、沉淀物等固体颗粒方面的效率和适用性。 膜分离技术： 深入探讨微滤、超滤、纳滤和反渗透等膜技术在生物基产品分离中的应用，分析其对分子量、电荷和化学性质的截留能力，以及膜污染的控制。 提取技术： 溶剂萃取： 介绍使用有机溶剂或超临界流体（如CO2）从发酵液或反应混合物中提取目标产物的方法。讨论溶剂的选择、萃取效率、溶剂回收和环境影响。 超声波辅助萃取、微波辅助萃取等新技术。 蒸馏与结晶： 蒸馏技术： 适用于具有挥发性的生物基产品，如乙醇、有机酸等。介绍常压蒸馏、减压蒸馏、共沸蒸馏、萃取蒸馏等不同方法的原理和应用。 结晶技术： 将目标产物从溶液中析出形成晶体的过程。介绍冷却结晶、蒸发结晶、溶剂结晶等方法，以及晶体生长动力学和晶体形貌控制。 层析技术： 吸附层析： 基于吸附剂与目标产物之间的亲和力差异进行分离。介绍活性炭、硅胶、离子交换树脂等常用吸附剂。 色谱技术： 包括液相色谱（HPLC）和气相色谱（GC）等，用于高纯度产品的制备和分析。 干燥技术： 喷雾干燥、真空干燥、冷冻干燥等。 分析不同干燥方法对产品性质的影响，以及能量消耗。 过程集成与经济性评估： 多单元操作的集成： 讨论如何将不同的分离纯化单元操作组合成一个高效、经济的分离纯化流程。 能耗与成本分析： 评估分离纯化过程的能耗、溶剂消耗、设备投资以及操作成本。 产品质量控制： 强调在整个分离纯化过程中，如何通过工艺参数的控制和分析检测手段，确保最终产品的质量和纯度符合应用要求。 第四部分：过程模拟、优化与可持续性 本书的第四部分将提升到更宏观的工程管理和可持续发展层面，讨论如何利用现代工程工具来设计、优化和评估生物基产品生产过程。 过程模拟与建模： 质量守恒与能量守恒方程： 介绍在过程模拟中的应用。 单元操作的数学模型： 如传质、传热、反应动力学模型等。 流程模拟软件的应用： 如Aspen Plus, HYSYS等，展示如何利用这些软件构建和模拟完整的生物基产品生产流程。 灵敏度分析与优化： 通过模拟结果，识别关键工艺参数，进行灵敏度分析，并对过程进行优化，以提高产率、降低能耗和成本。 生命周期评价（LCA）： LCA的原理与方法： 介绍如何从原材料的获取到产品的生产、使用和废弃的整个生命周期，对生物基产品生产过程的环境影响进行全面评估。 LCA在生物基产品开发中的应用： 分析LCA如何帮助识别过程中的环境热点，并指导技术选择和工艺改进，以实现真正的绿色和可持续生产。 经济性评估与风险分析： 投资成本（CAPEX）与操作成本（OPEX）的估算。 盈利能力分析，包括投资回报期（ROI）、净现值（NPV）等。 市场风险、技术风险和政策风险的评估。 可持续发展与循环经济： 生物基产品在循环经济中的作用。 废物资源化利用： 探讨如何将生产过程中产生的副产物和废弃物转化为有价值的资源，构建闭环生产系统。 绿色化学原则在生物基产品过程工程中的体现。 总结与展望 本书的最后一章将对前述内容进行总结，并对生物基产品过程工程的未来发展方向进行展望。我们将探讨新兴的生物制造技术，如合成生物学在底盘细胞构建中的应用、连续化生产与微反应器技术、人工智能在过程优化中的潜力等。同时，也将强调政策法规、市场需求以及跨学科合作在推动生物基产业发展中的重要性。 《生物基产品过程工程》旨在为化工、生物工程、环境工程等领域的学生、研究人员以及工业界专业人士提供一个坚实的理论基础和实用的工程指导。通过深入理解和掌握本书所阐述的原理和技术，读者将能够更好地设计、开发和优化高效、经济、可持续的生物基产品生产工艺，为构建绿色、低碳的未来贡献力量。
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