化学工程手册.第5卷（第三版）

前言

化学工业是一类重要的基础工业，在资源、能源、环保、国防、新材料、生物制药等领域都有着广泛的应用，对我国可持续发展具有重要意义。改革开放以来，我国化学工业得到长足的发展，作为国民经济的支柱性产业，总量已达世界，但产品结构有待改善，质量和效益有待提高，环保和安全有待加强。面对产业转型升级和节能减排的严峻挑战，人们在努力思考和探索化学工业绿色低碳发展的途径，加强化学工程研究和应用成为一个重要的选项。作为一门重要的工程科学，化学工程内容非常丰富，从学科基础(如化工热力学、反应动力学、传递过程原理和化工数学等)到工程内涵(如反应工程、分离工程、系统工程、安全工程、环境工程等)再到学科前沿(如产品工程、过程强化、多尺度和介尺度理论、微化工、离子液体、超临界流体等)对化学工业和国民经济相关领域起着重要的作用。由于化学工程的重要性和浩瀚艰深的内容，手册就成为教学、科研、设计和生产运行的工具书。

《化学工程手册》（版）在冯伯华、苏元复和张洪沅等先生的指导下，从1978年开始组稿到1980年开始分册出版，共26篇1000余万字。《化学工程手册》（第二版）在时钧、汪家鼎、余国琮、陈敏恒等先生主持下，对各个篇章都有不同程度的增补，并增列了生物化工和污染治理等篇章，全书共计29篇，于1996年出版。前两版手册都充分展现了当时我国化学工程学科的基础理论水平和技术应用进展情况。出版后，在石油化工及其相关的过程工程行业得到了普遍的使用，为广大工程技术人员、设计工作者和科技工作者提供了很大的帮助，对我国化学工程学科的发展和进步起到了积极的推动作用。《化学工程手册》（第二版）出版至今已历经20余年，随着科学技术和化工产业的飞速发展，作为一本基础性的工具书，内容亟待更新。基础理论的进展和工业应用的实践也都为手册的修订提出了新的要求和增添了新的内容。

《化学工程手册》（第三版）的编写秉承继承与创新相结合的理念，立足学科基础，着眼学术前沿，紧密关联工程应用，致力于促进我国化学工程学科的发展，推动石油化工及其相关的过程工业的提质增效，以及新技术、新产品、新业态的发展。《化学工程手册》（第三版）共分30篇，总篇幅在第二版基础上进行了适度扩充。“化工数学”由第二版中的附录转为第二篇；新增了过程安全篇，树立本质更安全的化工过程设计理念，突出体现以事故预防为主的化工过程风险管控的思想。同时，根据行业发展情况，调整了个别篇章，例如，将工业炉篇并入传热及传热设备篇。另外，各篇均有较大幅度的内容更新，相关篇章加强了信息技术、多尺度理论、微化工技术、离子液体、新材料、催化工程、新能源等新技术的介绍，以全面反映化工领域在新世纪的发展成果。

《化学工程手册》（第三版）的编写得到了工业和信息化部、中国石油和化学工业联合会及化学工业出版社等相关单位的大力支持，在此表示衷心的感谢！同时，对参与本手册组织、编写、审稿等工作的高校、研究院、设计院和企事业单位的所有专家和学者表达我们诚挚的谢意！尽管我们已尽全力，但限于时间和水平，手册中难免有疏漏及不当之处，恳请读者批评指正！

袁渭康  王静康  费维扬  欧阳平凯

2019年5月

第二版前言

《化学工程手册》(版)于1978年开始组稿，1980年出版册(气液传质设备)，以后分册出版，不按篇次，至1989年后一册出版发行，共26篇，合计1000余万字，卷帙浩繁，堪称巨著。出版之后，因系国内次有此手册，深受各方读者欢迎。特别是在装订成六个分册后，传播较广。

手册是一种参考用书，内容须不断更新，方能满足读者需要。近十几年来，化学工程学科在过程理论和设备设计两方面，都有不少重要进展。计算机的广泛应用，新颖材料的不断出现，能量的有效利用，以及环境治理的严峻形势，对化工工艺设计提出更为严格的和创新的要求。化工实践的成功与否，取决于理论和实际两个方面。也就在这两方面，在版出版之后，有了许多充实和发展。手册的第二版是在这种形势下进行修订的。

第二版对于各个篇章都有不同程度的增补，不少篇章还是完全重写的。除此而外，还有几个主要的变动：①增列了生物化工和污染治理两篇，这是适应化学工程学科的发展需要的。②将冷冻内容单独列篇。③将化工应用数学改为化工应用数学方法，编入附录，便于查阅。④增加化工用材料的内容，用列表的方式，排在附录内。

这次再版的总字数，经过反复斟酌，压缩到不超过600万字，仅为版的二分之一左右，分订两册，便于查阅。

本手册的每一篇都是由高等院校和研究单位的有关专家编写而成，重点在于化工过程的基本理论及其应用。有关化工设备及机器的设计计算，化工出版社正在酝酿另外编写一部专用手册。

本手册的编委会成员、撰稿人及审稿人，对于本书的写成，在全过程中都给予了极大的关怀、具体的指导和积极的参与，在此谨致谢忱。化工出版社领导的关心，有关编辑同志的辛勤劳动，对于本书的出版起了重要的作用。

化学工业部科技司、清华大学化工系、天津大学化学工程研究所、华东理工大学(原华东化工学院)，在这本手册编写过程中从各个方面包括经费上给予大力的支持，使本书得以较快的速度出版，特向他们表示深深的谢意。

本手册的版得到了冯伯华、苏元复、张洪沅三位同志的关心和指导，冯伯华同志和张洪沅同志还参加了第二版的组织工作，可惜他们未能看到第二版的出版，在此我们谨表示深深的悼念。

时钧  汪家鼎  余国琮  陈敏恒

作为化学工程领域标志性的工具书，本次修订秉承“继承与创新相结合”的编写宗旨，分5卷共30篇全面阐述了当前化学工程学科领域的基础理论、单元操作、反应器与反应工程以及相关交叉学科及其所体现的发展与研究新成果、新技术。在前版的基础上，各篇在内容上均有较大幅度的更新，特别是加强了信息技术、多尺度理论、微化工技术、离子液体、新材料、催化工程、新能源等方面的介绍。本手册立足学科基础，着眼学术前沿，紧密关联工程应用，全面反映了化工领域在新世纪以来的理论创新与技术应用成果。

本手册可供化学工程、石油化工等领域的工程技术人员使用，也可供相关高等院校的师生参考。

作为化学工程领域标志性的工具书，本次修订秉承“继承与创新相结合”的编写宗旨，分5卷共30篇全面阐述了当前化学工程学科领域的基础理论、单元操作、反应器与反应工程以及相关交叉学科及其所体现的发展与研究新成果、新技术。在前版的基础上，各篇在内容上均有较大幅度的更新，特别是加强了信息技术、多尺度理论、微化工技术、离子液体、新材料、催化工程、新能源等方面的介绍。本手册立足学科基础，着眼学术前沿，紧密关联工程应用，全面反映了化工领域在新世纪以来的理论创新与技术应用成果。

本手册可供化学工程、石油化工等领域的工程技术人员使用，也可供相关高等院校的师生参考。

第26篇生物化工

1概述26-2

1.1生化工程概况26-2

1.1.1生化工程定义和发展26-2

1.1.2生化工程的任务和内容26-2

1.2生物生产过程的特点26-4

1.3酶的概述26-4

1.3.1酶的分类和命名26-5

1.3.2酶的组成26-7

1.3.3酶的作用机制和调节26-8

1.3.4酶的修饰与改造26-10

1.3.5重要工业用酶简介26-11

1.4重要微生物和其他生物组织细胞26-12

1.4.1常用的工业微生物26-13

1.4.2植物组织细胞26-14

1.4.3动物细胞培养26-15

1.5微生物的培养26-16

1.5.1菌株选育26-16

1.5.2工业微生物培养基26-23

1.5.3微生物生长和生产条件26-27

1.5.4微生物代谢调节26-30

1.6生物化工的发展与展望26-32

参考文献26-33

2生物反应计量学和动力学26-35

2.1生物反应计量学26-35

2.1.1细胞的组成和计量表达式26-35

2.1.2生物反应的计量表达式26-36

2.1.3计量系数26-36

2.1.4生物反应中的能量平衡26-37

2.2生物反应动力学概述26-38

2.3酶催化反应动力学26-39

2.3.1米氏方程26-39

2.3.2动力学参数及其求取26-40

2.3.3有抑制的酶催化反应26-44

2.4细胞反应动力学26-50

2.4.1批式培养动力学26-50

2.4.2连续培养动力学26-56

2.4.3补料批式培养动力学26-59

参考文献26-61

3生物反应器26-63

3.1生物反应多相体系及其流动特性26-63

3.1.1反应体系中的固相生物颗粒及其特性26-63

3.1.2生物反应中的流体及其流动特性26-64

3.2生物反应器中的传递现象26-66

3.2.1生物反应器中的搅拌与混合26-66

3.2.2生物反应器中的氧传递26-68

3.2.3生物反应器中的液固传质26-70

3.2.4生物反应器中的热量传递26-72

3.3典型的生物反应器26-73

3.3.1机械搅拌罐26-74

3.3.2气升式反应器和鼓泡式反应器26-75

3.3.3液体喷射循环反应器26-79

3.3.4流化床反应器26-79

3.3.5固定床生物反应器26-80

3.3.6动物细胞培养反应器26-80

3.3.7植物细胞培养反应器26-81

3.4生物反应器的放大26-81

3.4.1生物反应器放大方法26-82

3.4.2机械搅拌罐的放大26-82

参考文献26-83

4细胞与酶固定化技术26-85

4.1细胞与酶固定化技术概述26-85

4.2固定化方法26-86

4.2.1吸附法26-86

4.2.2包埋法26-88

4.2.3交联法26-89

4.2.4化学共价法26-90

4.2.5逆胶束酶反应系统26-92

4.2.6絮凝法26-93

4.2.7新型固定化方法26-94

4.3固定化技术在工业上的应用举例26-95

4.3.1生产高果糖浆26-95

4.3.2生产L-氨基酸26-95

4.3.3在合成生物柴油中的应用26-97

4.3.4在医学与分析化学上的应用26-98

4.4固定化反应器设计原理26-100

4.4.1固定化细胞与酶的酶活收率26-100

4.4.2反应器中的流动26-101

4.4.3基本动力学模型26-101

4.4.4设计的优化26-106

4.5固定化酶和细胞反应器26-107

4.5.1制备固定化生物催化剂的装置26-107

4.5.2固定化颗粒及形状26-108

4.5.3填充床反应器（PFR）26-109

4.5.4连续搅拌式反应器（CSTR）26-110

4.5.5膜式或管式反应器26-111

4.5.6流化床反应器（FBR）26-111

4.5.7逆胶束萃取反应器26-113

参考文献26-113

5灭菌及安全防护技术26-115

5.1灭菌的方法26-115

5.2微生物的死亡规律26-117

5.3培养基的加热灭菌26-119

5.3.1温度的影响26-119

5.3.2分批灭菌26-119

5.3.3连续灭菌26-120

5.4空气除菌26-123

5.5污染的防止26-126

5.5.1纯种培养的保证26-126

5.5.2防止培养物污染环境26-128

参考文献26-131

6生化过程检测与控制26-132

6.1生化过程检测26-132

6.1.1概述26-132

6.1.2生化过程参数分类26-133

6.1.3几种主要的间接参数计算或测量方法26-133

6.2生物传感器26-136

6.2.1概述26-136

6.2.2酶传感器26-138

6.2.3微生物传感器26-139

6.2.4免疫传感器26-140

6.2.5生物传感器的换能器26-141

6.2.6生化过程培养液成分的在线检测26-147

6.3生化过程控制26-149

6.3.1概述26-149

6.3.2常规控制26-150

6.3.3高级控制26-152

6.3.4发酵过程故障诊断和早期预警26-162

参考文献26-168

7生物分离技术26-170

7.1概述26-170

7.1.1生物分离过程的特点26-170

7.1.2生物分离过程的一般流程及单元操作26-170

7.2细胞及其他固形物的回收和去除26-171

7.2.1发酵液的预处理26-172

7.2.2凝聚和絮凝26-172

7.2.3过滤26-173

7.2.4离心分离26-174

7.3细胞破碎26-177

7.3.1破碎分类26-177

7.3.2机械破碎26-178

7.3.3非机械破碎方法26-180

7.4生化物质的提取26-181

7.4.1沉淀法26-182

7.4.2萃取26-185

7.4.3离子交换及吸附26-189

7.4.4膜分离26-189

7.5生化物质的纯化26-191

7.5.1色谱技术26-191

7.5.2电泳分离技术26-196

7.6生物产品的后加工26-205

7.6.1结晶26-205

7.6.2干燥26-205

参考文献26-206

8合成生物技术26-208

8.1概述26-208

8.2人工基因组的设计与合成26-209

8.2.1DNA合成技术——Building block构建26-209

8.2.2DNA组装技术——Minichunk构建26-210

8.2.3染色体替换技术——酵母染色体替换26-211

8.3天然产物的异源合成26-212

8.3.1天然产物及生产现状26-212

8.3.2合成生物技术对天然产物合成带来的发展机遇26-213

8.4酶和蛋白质工程26-215

8.4.1蛋白质设计与酶的优化26-215

8.4.2酶定向进化26-216

8.4.3理性设计26-217

8.4.4多酶催化组装26-218

参考文献26-218

9典型的生化过程26-220

9.1生化过程的分类26-220

9.2有机溶剂类产品生产过程26-220

9.2.1乙醇26-220

9.2.2丙酮、丁醇26-225

9.3有机酸类产品生产过程26-226

9.3.1柠檬酸26-226

9.3.2葡萄糖酸26-228

9.4氨基酸类产品生产过程26-232

9.4.1谷氨酸26-232

9.4.2赖氨酸26-237

9.5抗生素类产品生产过程26-239

9.5.1青霉素26-239

9.5.2红霉素26-240

9.5.3头孢菌素26-242

9.6酶制剂类产品生产过程26-243

9.6.1淀粉酶和糖化酶26-243

9.6.2葡萄糖异构酶26-245

9.6.3纤维素酶26-246

9.6.4脂肪酶26-248

9.6.5蛋白酶26-249

9.6.6植酸酶26-250

9.7维生素类产品生产过程26-251

9.7.1维生素B226-251

9.7.2维生素B1226-254

9.8蛋白质、多肽类药物等医药产品的生产过程26-256

9.8.1典型的多肽药物：胰岛素26-256

9.8.2典型的蛋白质药物：干扰素26-256

9.9生物燃气产品生产过程26-258

参考文献26-260

符号说明26-261

第27篇过程系统工程

1概论27-2

1.1过程系统工程的领域27-2

1.2过程系统工程的基本概念27-3

1.2.1系统，环境27-3

1.2.2过程系统27-3

1.2.3过程系统分析27-3

1.2.4过程系统综合27-4

1.2.5过程系统优化27-4

1.2.6过程系统设计27-5

1.3过程系统工程的研究方法与手段27-5

1.3.1图示法27-5

1.3.2数学模型法27-5

1.3.3数学模型的类型与建立27-5

1.4过程系统结构的表示27-6

1.4.1图形表示27-6

1.4.2矩阵表示27-6

参考文献27-9

2过程系统的稳态模拟27-10

2.1过程系统稳态模拟的基本知识27-10

2.1.1过程系统的数学模型27-10

2.1.2过程系统模拟的基本任务27-11

2.1.3过程系统稳态模拟的基本方法27-12

2.1.4流程模拟软件27-12

2.2过程单元与过程系统的自由度分析27-14

2.2.1自由度概念27-14

2.2.2过程单元的自由度分析27-15

2.2.3过程系统的自由度分析27-20

2.3过程系统模拟的序贯模块法27-21

2.3.1序贯模块法的基本问题27-22

2.3.2不相关子系统的分隔27-23

2.3.3不可分隔子系统的断裂27-29

2.3.4断裂流股变量的收敛27-34

2.3.5应用实例27-36

2.4过程系统模拟的联立方程法27-47

2.4.1联立方程法的基本思想和特点27-47

2.4.2稀疏线性方程组的解法27-50

2.5过程系统模拟的联立模块法27-56

2.5.1基本策略和特点27-56

2.5.2简化模型建立中问题的描述方式27-57

2.5.3单元简化模型的形式27-59

参考文献27-60

3过程系统综合27-62

3.1过程系统综合研究的主要领域27-