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MATLAB生物化工計算與模擬

作　　者：

劉俏

出版單位：

化學工業

出版日期：

2018.07

進貨日期：

2018/7/4

ＩＳＢＮ：

9787122314314

開　　本：

16 開　　　

定　　價：

368 元

售　　價：

294 元

會員價：

270 元

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編輯推薦：

全書從解決生物工程及相關領域的實際問題出發，通過近百個典型案例，介紹了MATLAB在生物工程方面的應用方法與技巧。

內容簡介：

MATLAB作為一款高性能數值計算軟體，以其易學易用功能為生物化工領域解決數值計算問題提供了便捷的解決方案。本書從解決生物化工及相關領域的實際問題出發，以MATLAB R2016b版本為平臺，通過近百個實例，詳盡介紹了用MATLAB實現?反應、微生物反應、化工傳熱及傳質過程的數據分析與統計、參數計算與優化、動力學模擬、模型參數估計的方法與技巧。全書內容包括MATLAB入門基礎、線性與非線性方程（組）求解、符號微分與積分、數值微分與積分、數據插值與擬合、無約束與有約束的線性及非線性規劃等內容。涵蓋了MATLAB符號運算工具箱、曲線擬合工具箱、優化工具箱、統計工具箱、生物過程模擬工具的應用。本書適合生物化工及相關領域MATLAB的初、中級讀者，可供高等院校生物工程、化學工程、環境工程、制藥工程、食品工程及相關專業師生閱讀參考，也可供相關領域科研人員自學與參考。

圖書目錄：

第1章 MATLAB基礎／ 001

1.1 MATLAB工作環境／001

1.1.1 MATLAB窗口／001

1.1.2 M檔的編輯調試環境／ 003

1.1.3 線上幫助／ 005

1.2 數學運算／ 006

1.2.1 基礎運算／ 007

1.2.2 數組及運算／008

1.3 繪圖功能／ 012

1.3.1 基本圖形／ 012

1.3.2 對數座標圖形／019

1.3.3 函數繪圖／ 019

1.3.4 雙軸繪圖／ 020

1.4 數據導入與導出／021

1.4.1 數據導入／ 021

1.4.2 數據導出／ 025

第2章線性與非線性方程（組）的應用／ 027

2.1 線性方程組／ 027

2.1.1 細胞反應的元素衡算／ 028

2.1.2 細菌共存數的確定／028

2.1.3 多級逆流萃取理論級數的確定／ 029

2.2 非線性方程(組) ／ 032

2.2.1 應用基礎／ 032

2.2.2 汽液平衡組成及泡點溫度的確定／ 036

2.2.3 分批培養過程細胞濃度的確定／ 037

2.2.4 換熱器組溫度的優化／ 038

2.2.5 傳熱過程流量的調節／ 040

第3章微分模型的應用／ 042

3.1 微分的解析解／ 042

3.1.1 微分方程與微分函數的解析解／ 042

3.1.2 連續攪拌反應器最大稀釋率的確定／ 045

3.1.3 ?底物抑制動力學方程及最佳底物濃度的確定／ 047

3.1.4 發酵培養基最佳配方的確定／ 048

3.2 微分方程數值解／050

3.2.1 應用基礎／ 050

3.2.2 細胞生長動力學模擬／ 051

3.2.3 細胞分批培養過程動力學模擬／ 052

3.2.4 有／無菌體死亡的細胞生長與基質消耗的動力學模擬／ 054

3.2.5 恒速流加細胞分批培養過程的動態模擬／ 060

第4章積分模型的應用／ 064

4.1 符號積分／ 064

4.1.1 應用基礎／ 064

4.1.2 均相?促反應時間的確定／ 066

4.2 數值積分／ 067

4.2.1 應用基礎／ 067

4.2.2 均相?促反應時間的確定／ 069

4.2.3 乳糖在平推流反應器中水解的A／F的確定／ 069

4.2.4 高濃度氣體吸收傳質單元數的計算／ 070

第5章數據插值與擬合／ 073

5.1 數據插值／ 073

5.1.1 一維與二維插值／073

5.1.2 折光率與乙醇品質分數的估算／ 076

5.1.3 發酵時間與青黴素濃度的估算／ 077

5.2 數據擬合——曲線擬合工具箱（Curve Fitting Toolbox）的應用／ 079

5.2.1 Curve Fitting Toolbox的交互環境／ 079

5.2.2 多項式擬合——反應物分壓與反應時間關係模型／ 080

5.2.3 有理式擬合——無抑制的細胞生長動力學模型／ 081

5.2.4 冪函數擬合——強制對流傳熱關聯式及反應級數的確定／ 082

5.2.5 自定義方程擬合——有／無抑制劑的?反應動力學模型／ 088

第6章優化工具箱（OptimizationToolbox）的應用／ 093

6.1 線性規劃／ 093

6.1.1 無約束與有約束線性規劃／ 093

6.1.2 污水系統處理費用最小值的確定／ 096

6.2 非線性規劃／ 097

6.2.1 無約束與有約束非線性規劃／ 097

6.2.2 保溫層厚度的優化／100

6.2.3 發酵生產年利潤最大化的確定／ 103

6.3 優化工具箱圖形用戶介面（GUI）／ 105

6.3.1 GUI優化工具的啟動與使用／ 105

6.3.2 無約束優化（fminunc／fminsearch求解器）／ 106

6.3.3 有約束優化（fmincon求解器）／ 107

6.3.4 線性規劃（linprog求解器）／ 108

6.3.5 非線性最小二乘優化（lsqnonlin求解器）／ 108

6.3.6 遺傳演算法優化（ga求解器）／ 108

6.3.7 遺傳演算法優化發酵過程體積溶氧傳遞係數（ga求解器）／ 110

第7章細胞反應動力學模型參數的估計／ 114

7.1 細胞反應動力學研究方法／ 114

7.2 洋蔥伯克霍爾德菌分批發酵動力學研究／ 114

7.2.1 模型建立與模型參數估計方法／ 115

7.2.2 模型參數初始值的估計／ 116

7.2.3 動力學模型參數的估計／ 120

第8章生物系統模擬工具（SimBiology）的應用／ 123

8.1 ?反應動力學模擬／123

8.1.1 可逆?反應動力學模擬／ 123

8.1.2 有抑制劑的?反應動力學模擬／ 126

8.2 細胞反應動力學模擬／129

8.3 細胞反應模型參數的估計／ 132

參考文獻／ 136
顯示部分資訊

章節試讀：

MATLAB（Matrix Laboratory，矩陣實驗室）是由美國MathWorks公司推出的一款高性能數值計算軟體，以其簡單易學、強大的計算功能及圖形表達功能、介面友好的特點，在工程計算等諸多領域得到了廣泛應用，成為當前國際流行的科學計算軟體。在發達國家，MATLAB在生物化工領域的應用已經相當普及，相關書籍也較多。而在我國用電腦輔助生物化工計算還比較薄弱，相關文獻大多只局限在給出電腦計算或模擬結果，卻沒有用電腦實現的具體過程及程式，使業內人士遇到類似問題常常束手無策。筆者在應用MATLAB進行生物化工計算的探索過程中，解決了教學與科研中遇到的許多實際問題，積累了一些經驗與教訓。筆者旨在通過此書總結十幾年間使用MATLAB在生物化工領域應用的實踐經驗，與大家分享在MATLAB學習和應用中的成果及體會，使我國生物化工科技工作者儘快瞭解、熟悉和使用MATLAB，減少消耗在編程及數學理論和計算上的時間和精力，享用MATLAB給生物化工數值計算帶來的便利。本書通過近百個實例，為生物化工過程的計算、建模與模擬提供了具體的實例參考，具有如下特點。（1）應用性本書以應用為目的，不要求讀者掌握高深的數學知識和電腦理論，緊密結合生物化工及相關領域的應用實例，由淺入深地介紹了MATLAB應用基礎，用MATLAB對典型?反應、微生物反應、化工傳熱及傳質過程進行數據分析與統計、參數計算與優化、動力學模擬以及模型參數估計的具體方法，使讀者對MATLAB入門以及用MATLAB進行生物化工計算與模擬提供了可借鑒的應用程式。（2）適用性本書採用MATLAB R2016b版本，用戶介面以中文顯示，並按照“中文／英文”用戶介面，以漢-英雙語形式介紹，以滿足不同讀者的需要。根據我國高等院校本科生及碩士研究生的“生物化學”“化工原理”“生物反應工程”等相關課程，部分實例來源於國內相關教材，為教學用MATLAB實現其計算與模擬提供了具體指導。（3）拓展性本書一些實例介紹了MATLAB的多種求解途徑，有些實例還出現在不同的章節裏，為讀者展示了用MATLAB解決同一問題的不同思路及方法，使讀者更全面地瞭解MATLAB的特性與功能，比如用生物系統模擬工具的圖形用戶介面（GUI）使細胞反應模型的參數估計過程大為簡化。還有一些實例具有很強的綜合應用性，如“有／無菌體死亡的細胞生長與基質消耗的動力學模擬”“恒速流加分批培養過程的動態模擬”“細胞反應動力學模型參數的估計”等，為讀者提供了用MATLAB解決此類綜合問題的實踐方法。出版此書，感謝美國MathWorks公司及時提供更新軟體以及技術支持，感謝遼寧省石油化工規劃設計院有限公司教授級高級工程師杜菊女士為本書繪製了插圖。由於筆者水準有限，書中難免會有不足之處，懇請讀者提出寶貴意見。劉俏 2018.4

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