1、第九章第九章 生物反应器生物反应器的放大与控制的放大与控制引言引言 一个生物工程产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发包含了实验室的小试，适当规模中试和产业规模化生产等几个阶段。 生物反应器的放大是生物加工过程的关键技术之一。 生物反应器的放大:是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具生物反应过程放大的含义。它是生物技术开发过程中的重要组成部分，也是生物技术成果得以实现产业化的关键之一。 引言引言 反应器的放大涉及内容较多。除涉及微生物的生化反应机制和生理特性外还涉及化工放大方面的内容，诸如：反应动力学，传递和流体流动的机理等
2、。因此，它是一个十分复杂的过程。 目前反应器的放大方法主要有：经验放大法、因次分析法、时间常数法和数学模拟法。第一节第一节 生物反应器的放大生物反应器的放大一、经验放大法二、其他放大方法经验放大法经验放大法 定义:经验放大法是依据对已有生物反应器的操作经验所建立起的一些规律而进行放大的方法。 特点:这些规律多半是定性的，仅有一些简单的、粗糙的定量概念。由于该法对事物的机理缺乏透彻的了解，因而放大比例一般较小，并且此法不够精确。但是对于目前还难进行理论解析的领域，还要依靠经验放大法。对于生物反应器来说，到目前为止，应用较多的方法也是根据经验和实用的原则进行反应器的放大和设计。（一）几何相似放大（
3、一）几何相似放大 定义:生物反应器的尺寸放大大多数是利用几何相似原则放大。所谓的几何相似指的是两台设备的几何形状完全相似。在几何相似放大中，放大倍数实际上就是反应器体积的增加倍数。（一）几何相似放大（一）几何相似放大1212HHDD 常 数（7-1） 32211VDmVD（7-2）1132HmH和1132DmD（7-3） 式中: 反应器的高度，m； 反应器的内径，m； 反应器的体积，m3； 下标“1”-模型反应器； 下标“2”放大的反应器。HDV若按几何相似放大法，若按几何相似放大法，当体积增加当体积增加10倍时，倍时，生物反应器的直径和生物反应器的直径和高度均放大高度均放大101/3倍。倍。
4、（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 定义定义: :以单位体积液体所分配的搅拌轴功率以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大，是一相同这一准则进行的反应器的放大，是一般机械搅拌式化学反应器的放大准则，可般机械搅拌式化学反应器的放大准则，可以将此准则应用于生物反应器的放大以将此准则应用于生物反应器的放大 。（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 常数LPV （7-4） 对于不通气时的机械搅拌生物反应器，根据轴功率计算公式，可以得到：,353iLiPnDVD（7-5）因此32iLPnDV （7-6）
5、 所以()213212DnnD（7-7） ()32211DPPD（7-8） 不通气时的搅拌功率，kW；反应器的内径，m；发酵液的体积，m3；下标“1”模型反应器；下标“2”放大的反应器。PiDLV（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的对于通气式机械搅拌生物反应器，可取单位体积液体分配的通气搅拌功率相同的准则进行放大，即：通气搅拌功率相同的准则进行放大，即：()()gg21LLPPVV（7-9） 根据通气时搅拌轴功率的计算公式，可知根据通气时搅拌轴功率的计算公式，可知 .3 1 52 3 4 6gi0 2
6、 5 2LgPnDVu（7-10） （二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大 所以所以.()()21G0 750 081212GQDnnDQ（7-11） .()()2211G2770242gg1GQDPPDQ（7-12） 式中 通气搅拌率； 通气量； 空气的线速度。gPGQgu（三）以单位培养液体积的空气流量（三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大相同的原则进行放大生物细胞培养过程中空气流量的表示方式有两种：生物细胞培养过程中空气流量的表示方式有两种：（1）单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准态），即：）单位培养液体积在单位时间内通入的空气
7、量（标准态），即：0LQV V MV，m3/（m3min） （7-13） （2）操作状态下空气的线速度）操作状态下空气的线速度 ，m/h。gu(). ()()40Lg2iLiL60Q 273t9 8 1027465 6 VVM 273t VuDpD273p4，m/h （7-14） （三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大（三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大.()2gLi0Lup DQ27465 6273t V，m3/h （7-15） .()2gLiLu p DVVM27465 6273t V，m3/（m3min） （7-16） 式中 反应器内径，m； 反应器的温度，；
8、发酵液体积，m3； 液柱平均绝对压力，Pa。iDtLVLp（三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大（三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大时，有以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大时，有 ()()21VVMVVM即即()()iLg2LiLVVM DVVM Vup Dp（7-17） 因此因此2112gL2g1LupDuDp（7-18）由上式可知，当体积放大由上式可知，当体积放大100倍时，倍时， ，如果忽略液柱压力，如果忽略液柱压力 ，则则 即线速度增大即线速度增大4.64倍，其结果是显得空气线速度放大倍，其结果是显得空气线
9、速度放大过多。过多。214.64DDLP214.64gguu（四）以空气线速度相同的原则进行放大（四）以空气线速度相同的原则进行放大以空气线速度相同的原则进行放大时有以空气线速度相同的原则进行放大时有21gguu（7-19） 即即122211()()iLLiDV V MpV V MpD（7-20） 由上式可知，当体积放大100倍时，即 ，若忽略液柱压力，即 ，即通风量减少4.64倍，其结果是通风量过小。214.64DD21()1()4.64VVMVVM（五）以（五）以 相同的原则进行放大相同的原则进行放大aKL在耗氧发酵过程中，由于氧在培养液中的溶解度很低，生物反应很容易因为反应器供氧能力的限
10、制受到影响，因此以反应器的 相同作为放大准则，往往可以收到较好的效果。aKL反应器的 与操作条件及培养液的物性有关，在进行放大时，培养液性质基本相同，所以可只考虑操作条件的影响。aKL根据文献报道， 与通气量 、液柱高度 、培养液体积 存在如下的比例关系：aKLGQLHLV23()GLLLQKaHV（7-21） （五）以（五）以 相同的原则进行放大相同的原则进行放大aKL按 相等的原则进行放大，则有：aKL2322223111()()1()()GLLLGLLLQHKaVQKaHV（7-22） 故23222311()()GLLGLLQHVQHV（7-23） （五）以（五）以 相同的原则进行放大相
11、同的原则进行放大aKL又因为23:,GgiLiQu D VD（7-24） 所以31)(1212iiggDDuu（7-25） 又因为()gLDuVVMp（7-26） 故12221312()()()()LLpVVMDVVMDp（7-27）（五）以（五）以 相同的原则进行放大相同的原则进行放大aKL也有采用下面的表达式作为放大基础：0.560.70.71.86 (22.8 )()gLgLPK amunV（7-28） 因此0.560.70.7()gLgLPKaunV（7-29） 若以3.152.3460.252()giLgPnDVu（7-30）2.451.320.56LigKanDu（7-31） aK
12、L（五）以（五）以 相同的原则进行放大相同的原则进行放大aKL按相同的原则进行放大，则：210.230.5332211()()gguDnnuD（7-32） 210.6813.402211()()gguDPPuD（7-33） 22110.9673.66721()()gggguDPPuD（7-34）（六）搅拌器叶尖速度相同的准则（六）搅拌器叶尖速度相同的准则 按照搅拌器的叶尖速度相等的原则进行放大。当大小反应器中搅拌器的叶尖速度相等时， ，因此： 1122n Dn D2112nDnD（7-35） （七）混合时间相同的准则（七）混合时间相同的准则 混合时间是指在反应器中加入物料，到它们被混合均匀时所
13、需的时间。在小反应器中，比较容易混合均匀，而在大反应器中，则较为困难。通过因次分析，得到以下关系：32111362222()MiiLitnDgDHD（7-36） （七）混合时间相同的准则（七）混合时间相同的准则对于几何相似的反应器， 时，从上式可以得出：21MMtt142112()nDnD（7-37） 总结总结需要指出的是上述放大方法是各强调一个侧重点，得出的结论往往有较大的差异。下表所列出的是10L小罐（n=500r/min，通气1VVM）放大到10000L（即放大1000倍）时，按照不同的放大准则所得出的结论，并以搅拌转速来进行比较。表7-1 放大方法的比较方法放大后搅拌转速，r/min方
14、法放大后搅拌转速，r/min等体积功率等氧质系数79非通气107等叶端速度50通气85等混合时间1260总结总结从表中的数据可以看到，按照不同准则放大，结果是放大后的反应器其他参数发生了悬殊的差别。这说明在放大中选用什么准则是很重要的，这要根据放大体系的特点而确定。反应器的放大问题现在尚未解决，在放大时往往外还要凭借经验。有人统计，实际放大过程中应用最多的是和相同。二、其他放大方法二、其他放大方法 因次分析法因次分析法 时间常数法时间常数法 数学模拟法数学模拟法二、其他放大方法二、其他放大方法 因次分析法也称相似模拟法，它是根据相似原理，以保持无因次准数相等的原则进行放大。该法是根据对过程的了
15、解，确定影响过程的因素，用因次分析方法求得相似准数，根据相似理论的第一定律（各系统互相相似，则同一相似准数的数值相等的原理），若能保证放大前与放大后的无因次数群相同，则有可能保证放大前与放大后的某些特性相同。二、其他放大方法二、其他放大方法 迄今为止，因次分析法已成功地应用于各种物理过程。但对有生化反应参与的反应器的放大则存在一定的困难。这是因为在放大过程中，要同时保证放大前后几何相似、流体力学相似、传热相似和反应相似实际上几乎是不可能的，保证所有无因次数群完全相等也是不现实的，并且还会得出极不合理的结果。二、其他放大方法二、其他放大方法 在生物反应器的放大过程中，由于同时涉及微生物的生长、传
16、质、传热和剪切等因素，需要维持的相似条件较多，要使其同时满足是不可能的，因此用因次分析法一般难以解决生物反应器的放大问题。为此常需要根据已有的知识和经验进行判断，以确定何者更为重要，同时也能兼顾其他的条件。二、其他放大方法二、其他放大方法 时间常数是指某一变量与其变化速率之比。常用的时间常数有反应时间、扩散时间、混合时间、停留时间、传质时间、传热时间和溶氧临界时间等。时间常数法可以利用这些时间常数进行比较判断，用于找出过程放大的主要矛盾并据此来进行反应器的放大。二、其他放大方法二、其他放大方法 数学模拟法是根据有关的原理和必要的实验结果，对实际的过程用数学方程的形式加以描述，然后用计算机进行模
17、拟研究、设计和放大。该法的数学模型根据建立方法不同，可分为由过程机理推导而得的“机理模型”、由经验数据归纳而得的“经验模型”和介于二者之间的“混合模型”。二、其他放大方法二、其他放大方法 n机理模型是从分析过程的机理出发而建立起来的严谨的、系统的数学方程式。此模型建立的基础是必须对过程要有深刻而透彻的了解。n经验模型是一种以小型实验、中间试验或生产装置上实测的数据为基础而建立的数学模型。n混合模型是通过理论分析，确定各参数之间的函数关系的形式，再通过实验数据确定此函数式中各参数的数值，也就是把机理模型和经验模型相结合而得到的一种模型。二、其他放大方法二、其他放大方法 下图为数学模拟放大法用于一
18、般过程开发的示意图下图为数学模拟放大法用于一般过程开发的示意图基础实验测定值过程的模型用电子计算机作方案研究模型的放大计算机的结果与实验结果的比较基础模型的修正用 电 子 计算 机 作 设计计算过 程 的 基本设计小试中试图7-1 数学模拟放大方法示意图二、其他放大方法二、其他放大方法 数学模拟放大法是以过程参数间的定量关系为基础的，因而消除了因次分析中的盲目性和矛盾性，而能比较有把握地进行高倍数的放大，并且模型的精度越高，放大率、倍数越大。然而模型的精密程度又建立在基础研究之上。由于受到这方面的限制，数学模拟实际取得成效的例子不够多，特别是对生物反应过程，由于过程的复杂性，这方面的问题还远没
19、解决，但无疑它是一个很有前途的方法。第二节第二节 生物反应器的参数检测生物反应器的参数检测一、生物加工过程的参数（物理、化学参数）一、生物加工过程的参数（物理、化学参数）二、检测方法与仪器二、检测方法与仪器 一、生物加工过程的参数（物理、化学参数）一、生物加工过程的参数（物理、化学参数） 要对生化过程进行有效的操作和控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是要了解生化过程的各种信息。这些信息可以分为物理变量信息（如发酵温度）、化学变量信息（如pH）以及生物变量信息（如生物质浓度）。表7-2 生物加工过程的物理、化学参数物理参数化学参数间接参数成熟尚不成熟温度pH成分浓度氧利用速率（OUR）压力
20、氧化还原电位糖二氧化碳释放速率（CER）功率输入溶解氧浓度氮呼吸熵（RQ）搅拌速率溶解 CO2浓度前体总氧利用体积氧传递系数通气流量排气氧分压诱导物位置排气CO2分压产物加料速率其他排气成分代谢物细胞浓度（X）金属离子细胞生长速率Mg2+，K+，Ca2+比生长速率（）培养液重量Na+， SO42-细胞得率（YX/S）培养液体积PO43-糖利用率表7-2 生物加工过程的物理、化学参数NAD，NADH氧的利用率培养液表观糖度ATP，ADP，AMP比基质消耗率（）积累量脱氢酶活力前体利用率酸其它各种酶活力产物量（）碱细胞内成分比生产率消泡剂蛋白质其他需要计算的值参数DNA细胞量RNA功率 功率准数气
21、泡含量雷诺数表7-2 生物加工过程的物理、化学参数面积生物量表面张力生物热碳平衡能量平衡（一）设定参数1压强压强 对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌的洁净空气，一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧，二是强化培养液的混合与传质，三是维持反应器有适宜的表压，以防止外界杂菌进入发酵系统。对气升式反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量消耗的关键因素之一。对嫌气发酵，如废水的生物厌氧生物处理，对反应体系内压强的监控也是十分必要的。（一）设定参数2温度温度 不管生物细胞或是酶催化的生物反应，反应温度都是最重要的影响因素。不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生成温度，而酶也有最适的催化温度
22、，所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围。（一）设定参数3通气量通气量 不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要连续（或间歇）往反应器中通入大量的无菌空气。为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。当然，过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大以及通风耗能上升等不良影响。（一）设定参数4液面（或浆液量）液面（或浆液量） 对液体发酵，反应器的液面或是装液量的控制是反应器设计的重要因素。液面的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液面的高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的含气率达一定值，液面就升高，
23、加之泡沫的形成，故必须严格控制培养基液面。（一）设定参数4液面（或浆液量）液面（或浆液量） 特别地，对气升内环流式反应器，由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环流混合与气液传质，但在通气发酵过程中，排气会带出一定水分，故反应器内培养液会蒸发减少，因此液面的检测监控更重要，必要时需补加新鲜培养基或无菌水，以维持最佳液位。同理，连续发酵过程液位必须维持恒定，液面的检测控制也十分重要。（一）设定参数5搅拌转速与搅拌功率搅拌转速与搅拌功率 对一定的发酵反应器，搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、对一定的发酵反应器，搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的
24、生长、产物的生成、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比，比， ，其，其N中为搅拌转速。此外，某些生物细胞如动植中为搅拌转速。此外，某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌转速和搅拌叶尖线物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌转速和搅拌叶尖线
25、速度有其临界上限范围。速度有其临界上限范围。53iPDNNP（一）设定参数 5搅拌转速与搅拌功率搅拌转速与搅拌功率 同时，搅拌功率与上述的搅拌转速的关系，是机械搅同时，搅拌功率与上述的搅拌转速的关系，是机械搅拌通气发酵罐的比拟放大基准。因而直接测定或计算拌通气发酵罐的比拟放大基准。因而直接测定或计算求出搅拌功率也十分重要。求出搅拌功率也十分重要。（一）设定参数6泡沫高度泡沫高度 液体生物发酵，不管是通气还是厌气发酵均有不同程度的液体生物发酵，不管是通气还是厌气发酵均有不同程度的泡沫产生。发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的泡沫产生。发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的是培养基中所固有的
26、或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、糖类以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过糖类以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。如控制不会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。如控制不好，就会大大降低发酵反应器的有效反应空间即装料系数好，就会大大降低发酵反应器的有效反应空间即装料系数低，增加感染杂菌的机会，严重时泡沫会从排气口溢出而低，增加感染杂菌的机会，严重时泡沫会从排气口溢出而造成跑料，这导致
27、产物收率下降。造成跑料，这导致产物收率下降。（一）设定参数7培养基流加速度培养基流加速度 对生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续或间歇对生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续或间歇往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入量和加入速度，往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入量和加入速度，以实现优化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率以实现优化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率和生产效率。和生产效率。（一）设定参数8冷却介质流量与速度冷却介质流量与速度 生物发酵过程均有生物合成热产生，对机械搅拌发酵罐还生物发酵过程均有生物合成热产生，对机械搅拌发酵罐还有搅拌热，为保持反应器系统的
28、温度在工艺规定的范围内，有搅拌热，为保持反应器系统的温度在工艺规定的范围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热移走。根据生必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热移走。根据生化反应器的热量平衡算式：化反应器的热量平衡算式：冷却发酵QQQ0（7-38） （一）设定参数)(12TTcFQW冷却（7-39） 微生物发酵热，J/min；搅拌热，J/min；冷却水所带走的热量，J/min；冷却水流量，m3/min；水的比热容，J/min3；冷却水出口温度，；冷却水入口温度，；发酵Q0Q冷却QWFc2T1T（一）设定参数8冷却介质流量与速度冷却介质流量与速度 要维持工艺要求的发酵温度，对应不同的发酵时期
29、有要维持工艺要求的发酵温度，对应不同的发酵时期有不同的发酵热以及冷却介质的温度，需相应改变其流不同的发酵热以及冷却介质的温度，需相应改变其流量。故必须测定冷却介质的进出口温度与流量，据此量。故必须测定冷却介质的进出口温度与流量，据此也可间接推定发酵罐中的生物反应是否正常进行。也可间接推定发酵罐中的生物反应是否正常进行。（一）设定参数 9培养基质浓度和产物浓度培养基质浓度和产物浓度对生物发酵生产，基质浓度如糖浓度等对生物细胞的生长对生物发酵生产，基质浓度如糖浓度等对生物细胞的生长及产物生成具有重要作用，在发酵结束时，培养液基质浓及产物生成具有重要作用，在发酵结束时，培养液基质浓度则是发酵转化率及
30、产物得率的重要衡量。尤其是连续发度则是发酵转化率及产物得率的重要衡量。尤其是连续发酵和流加培养操作，发酵液中的基质浓度更为重要。类似酵和流加培养操作，发酵液中的基质浓度更为重要。类似地，产物浓度的测知也同样重要，因为掌握了发酵液中的地，产物浓度的测知也同样重要，因为掌握了发酵液中的产物浓度，就可确定发酵的进程以及决定发酵是否正常及产物浓度，就可确定发酵的进程以及决定发酵是否正常及是否需要结束发酵。所以基质与产物浓度的检测、控制对是否需要结束发酵。所以基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是必要的。各种发酵均是必要的。（二）状态参数 状态参数是指能反映反应过程中微生物的生理代谢状况的参数，如pH
31、、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2、黏度、菌浓等。1黏度（或表观黏度）培养基的黏度主要受培养基的成分及浓度、细胞浓度、温度、代谢产物等影响。而发酵液的黏度（或表观黏度）对溶液的搅拌与混合、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时对搅拌功率消耗及发酵产物的分离纯化均起着重要作用。（二）状态参数 2pH 生物发酵过程培养液的pH是生物细胞生长及产物或副产物生成的指示，是最重要的发酵过程参数之一。因每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。而在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适当的pH。因此生物反应生产对pH的检测控制极为重要。（二）状态参数 3
32、溶氧浓度和氧化还原电位好气性发酵过程中，液体培养基中均需维持一定水平的溶解氧，以满足生物细胞呼吸、生长及代谢需要。在通风深层液体发酵过程中，溶解氧水平和溶氧效率往往是发酵生产水平和技术经济指标的重要影响因素，不同的发酵生产和不同的发酵时间，均有适宜的溶氧水平和溶氧速率。故对生物反应系统即培养液中的溶氧浓度必须测定和控制。此外，发酵过程溶解氧水平还可以作为判别发酵是否有杂菌或噬菌体污染的间接参数，若溶氧浓度变化异常，则提示发酵系统出现杂菌污染或其他问题。（二）状态参数 对一些亚好氧的生物发酵反应如某些氨基酸发酵生产，在产物积累时，只需很低的溶解氧水平，过高或过低都会影响生产效率。这样低的溶解氧浓
33、度使用目前的溶氧电极是无法测定的，故使用氧化还原电极电位计（ORP仪）来测定微小的溶氧值。（二）状态参数 4发酵液中溶解CO2浓度对通气发酵生产，由于生物细胞的呼吸和生物合成，培养液中的氧会被部分消耗，而溶解的CO2含量会升高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解CO2浓度增至某值时，就会使细胞生长和产物生成速率下降。例如组氨酸发酵，二氧化碳分压应低于0.005MPa；而精氨酸发酵，CO2分压应在0.015 Mpa以下，否则会使生产效率降低。当然，对光照自氧的微藻培养，则适当提高CO2浓度就有利于细胞产量的提高。（二）状态参数 5细胞浓度及酶活特性生化反应过程都是通过菌体的各种酶类来促使反应进行
34、的，而菌体的浓度与酶的活动中心密切相关。通过菌体干重的测定，可以了解生物的生长状态，从而控制和改变生产工艺或补料和供氧，保证达到较好的生产水平。当然，以酶做催化剂的生化反应，则酶浓度（活度）是必须检测监控的参变量。 （二）状态参数 6菌体形态在生化反应过程中，菌体形态的变化也是反应它的代谢变化的重要特征。可以根据菌体的形态不同，区分出不同的发酵阶段和菌体的质量。（三）间接参数 间接参数是指那些通过基本参数计算求得的参数，如氧利间接参数是指那些通过基本参数计算求得的参数，如氧利用速率（用速率（OUR）、二氧化碳释放速率（）、二氧化碳释放速率（CER）、比生产速）、比生产速率（率（）、体积氧传质速
35、率（）、体积氧传质速率（KLa）、呼吸熵（）、呼吸熵（RQ）等。）等。通过对发酵罐作物料平衡可计算后者反映微生物的代谢状通过对发酵罐作物料平衡可计算后者反映微生物的代谢状况，尤其能提供从生长向生产过渡或主要基质间的代谢过况，尤其能提供从生长向生产过渡或主要基质间的代谢过渡指标。渡指标。（三）间接参数 1呼吸代谢参数呼吸代谢参数微生物的呼吸代谢参数通常有三个：即微生物的氧利用速率，微生物的呼吸代谢参数通常有三个：即微生物的氧利用速率，二氧化碳释放速率，和呼吸熵。假设流出反应器的气体流量二氧化碳释放速率，和呼吸熵。假设流出反应器的气体流量与空气流入量相等，空气中氧浓度为与空气流入量相等，空气中氧浓
36、度为21%，二氧化碳的浓度，二氧化碳的浓度为零，测量到排出气体的氧浓度为为零，测量到排出气体的氧浓度为 ，二氧化碳的浓度为，二氧化碳的浓度为 ，则由气相物料平衡计算可得：则由气相物料平衡计算可得：%2出O%2出CO（三）间接参数 氧利用速率（OUR） （7-49）二氧化碳释放速率（CER） （7-50）呼吸熵（ ） （7-51）其中 空气流量，m3/min； 反应液体积，m3。VFOOURRAO/%)%21(22出VFCOCERRACO/%22出RQ%/%212222出出）（COORRRQCOOAFV（三）间接参数 2菌体比生长速率菌体比生长速率每小时每单位重量的菌体所增加的菌体量称为菌体的比
37、生每小时每单位重量的菌体所增加的菌体量称为菌体的比生长速率，单位为长速率，单位为1/h。菌体的比生长速率与生物的代谢有。菌体的比生长速率与生物的代谢有关。例如，在抗生素合成阶段，若比生长速率过大，菌体关。例如，在抗生素合成阶段，若比生长速率过大，菌体量增加过多，代谢向菌体合成的方向发展，这不利于合成量增加过多，代谢向菌体合成的方向发展，这不利于合成抗生素。菌体的比生长速率是生化反应动力学中的一个重抗生素。菌体的比生长速率是生化反应动力学中的一个重要参数。要参数。（三）间接参数 3氧比消耗速率（氧比消耗速率（rO2）氧比消耗速率称为菌体的呼吸强度，即每小时每单位重量氧比消耗速率称为菌体的呼吸强度
38、，即每小时每单位重量的菌体所消耗的氧的数量，其单位为毫克分子氧的菌体所消耗的氧的数量，其单位为毫克分子氧/克干菌体克干菌体小时。例如，在抗生素生产过程中，根据抗生素比生产速率小时。例如，在抗生素生产过程中，根据抗生素比生产速率与氧比消耗速率的关系，可以求得菌体最适当的氧比消耗速与氧比消耗速率的关系，可以求得菌体最适当的氧比消耗速率。率。二、检测方法与仪器二、检测方法与仪器 研究微生物生长过程所需要的检测参数大多是通过在反研究微生物生长过程所需要的检测参数大多是通过在反应器中配置各种传感器和自动分析仪来实现的。这些装应器中配置各种传感器和自动分析仪来实现的。这些装置能把非电量参数转化为电信号，这
39、些信号经适当处理置能把非电量参数转化为电信号，这些信号经适当处理后，可用于监测发酵的状态、直接作发酵闭环控制和计后，可用于监测发酵的状态、直接作发酵闭环控制和计算间接参数。图算间接参数。图7-2为生物反应器配置传感器或检测装为生物反应器配置传感器或检测装置的示意说明图。置的示意说明图。二、检测方法与仪器二、检测方法与仪器 T F ,图 7 - 2 生 化 反 应 过 程 测 量 仪 器 系 统空 气WAF1培 养 液消 泡T ,p ,p,D O ,VF加X , S , pc消F2T 2C O ,O %MGp2R M P二、检测方法与仪器二、检测方法与仪器 一般可粗略地把检测仪器分成一般可粗略地
40、把检测仪器分成:在线检测（在线检测（On-line measurement）离线检测（离线检测（Off-line measurement）在线检测在线检测:是仪器的电极等可直接与反应器内的培养基是仪器的电极等可直接与反应器内的培养基接触或可连续从反应器中取样进行分析测定，如溶氧浓度、接触或可连续从反应器中取样进行分析测定，如溶氧浓度、pH、罐压等；、罐压等；离线测量离线测量:是指在一定时间内离散取样，在反应器外进行样是指在一定时间内离散取样，在反应器外进行样品处理和分析的测量，包括常规的化学分析和自动实验分品处理和分析的测量，包括常规的化学分析和自动实验分析系统。析系统。二、检测方法与仪器二、
41、检测方法与仪器 表7-3典型生物状态变量的测量范围和准确度或控制变量的精度变量测量范围准确度或精度，%变量测量范围准确度或精度，%温度01500.01MSL挥发物搅拌转速03000rpm0.2甲醇，乙醇010g/L15罐压02bar0.1丙酮010g/L15重量90100kg0.1丁酮010g/L1501kg0.01在线FIA:液体流量08m3/h1葡萄糖0100g/L202kg/h0.5NH4+010g/L1稀释速率01h-10.5PO43-010g/L14通气量02vvm在线HPLC:泡沫开/关酚0100mg/L25二、检测方法与仪器二、检测方法与仪器 表7-3典型生物状态变量的测量范围和
42、准确度或控制变量的精度气泡开/关碳酸盐0100g/L25液位开/关有机酸01g/L14pH2120.1红霉素020g/L8pO20%100%饱和1其他副产物05g/L25pCO20100mbar1在线GC：尾气16%21%1乙酸05g/L27尾气0%5%1羟基丙酮010g/L2荧光05V丁二醇010g/L8氧还电位0.60.3V0.2乙醇05g/L2RQ0.520（mol/L）/（mol/L）取决于传播误差甘油01g/L9传感器0100AU变化很大二、检测方法与仪器二、检测方法与仪器 发酵过程对传感器的要求：发酵过程对传感器的要求：1.发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精确度、灵敏度、发酵过
43、程对传感器的常规要求为准确性、精确度、灵敏度、分辨能力要高，响应时间滞后要小，能够长时间稳定工作，分辨能力要高，响应时间滞后要小，能够长时间稳定工作，可靠性好，具有可维修性。可靠性好，具有可维修性。2.对发酵用传感器的特殊要求是由发酵反应的特点决定的，对发酵用传感器的特殊要求是由发酵反应的特点决定的，发酵底物中含有大量的微生物，必须考虑卫生要求，发酵过发酵底物中含有大量的微生物，必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。程中不允许有其他杂菌污染。3.传感器与发酵液直接接触，一般要求传感器能与发酵液同传感器与发酵液直接接触，一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌，不能耐受蒸汽灭菌的
44、传感器可在罐外时进行高压蒸汽灭菌，不能耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法灭菌后无菌装入。用其他方法灭菌后无菌装入。二、检测方法与仪器二、检测方法与仪器 发酵过程对传感器的要求：发酵过程对传感器的要求：5.发酵用传感器容易被培养基和细菌污染，应选用不易污染发酵用传感器容易被培养基和细菌污染，应选用不易污染的材料如不锈钢，同时要注意结构设计，选择无死角的形状的材料如不锈钢，同时要注意结构设计，选择无死角的形状和结构，防止微生物附着及干扰，便于清洗，不允许泄漏。和结构，防止微生物附着及干扰，便于清洗，不允许泄漏。6.传感器只与被测变量有关而不受过程中其他变量和周围环传感器只与被测变量有关而不受过
45、程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。境条件变化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。由于上述种种原因，使得许多传感器，尤其是检测化学物质由于上述种种原因，使得许多传感器，尤其是检测化学物质浓度、微生物质浓度的传感器，很难在工业规模的生化过程浓度、微生物质浓度的传感器，很难在工业规模的生化过程中使用。中使用。二、检测方法与仪器二、检测方法与仪器 发酵过程对传感器的要求：发酵过程对传感器的要求：5.发酵用传感器容易被培养基和细菌污染，应选用不易污染发酵用传感器容易被培养基和细菌污染，应选用不易污染的材料如不锈钢，同时要注意结构设计，选择无死角的形状的材料如不锈钢，同时要注意
46、结构设计，选择无死角的形状和结构，防止微生物附着及干扰，便于清洗，不允许泄漏。和结构，防止微生物附着及干扰，便于清洗，不允许泄漏。6.传感器只与被测变量有关而不受过程中其他变量和周围环传感器只与被测变量有关而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。境条件变化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。由于上述种种原因，使得许多传感器，尤其是检测化学物质由于上述种种原因，使得许多传感器，尤其是检测化学物质浓度、微生物质浓度的传感器，很难在工业规模的生化过程浓度、微生物质浓度的传感器，很难在工业规模的生化过程中使用。中使用。第三节第三节 控制理论与应用控制理论与应用一、生物过程
47、的控制特征一、生物过程的控制特征二、先进控制理论在反应器控制中的应用二、先进控制理论在反应器控制中的应用 一、生物过程的控制特征一、生物过程的控制特征（一）温度的控制（一）温度的控制 生物反应的最佳温度范围是比较狭窄的，所以发酵过程需生物反应的最佳温度范围是比较狭窄的，所以发酵过程需把生物反应器的温度控制在某一定值或区间内。最适发酵把生物反应器的温度控制在某一定值或区间内。最适发酵温度的选择往往既要考虑有利于提高生物合成反应的速度，温度的选择往往既要考虑有利于提高生物合成反应的速度，又要顾及生物合成反应的持久性，同时还要兼顾其它环境又要顾及生物合成反应的持久性，同时还要兼顾其它环境条件的影响。
48、此外，对于次级代谢产物的合成来说，由于条件的影响。此外，对于次级代谢产物的合成来说，由于初级代谢和次级代谢的酶系不同，适合于微生物生长和产初级代谢和次级代谢的酶系不同，适合于微生物生长和产物合成的温度也可能不同，故在整个发酵过程中应根据生物合成的温度也可能不同，故在整个发酵过程中应根据生长和产物合成的不同需要，在不同的发酵阶段选择不同的长和产物合成的不同需要，在不同的发酵阶段选择不同的温度。影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电温度。影响生化反应温度的主要因素有微生物发酵热、电极搅拌热、冷却水本身的温度以及周围环境温度的改变。极搅拌热、冷却水本身的温度以及周围环境温度的改变。一、生物过程
49、的控制特征一、生物过程的控制特征（一）温度的控制（一）温度的控制 生化反应器采用通冷却水的方式带走生化反应热。生化反应器采用通冷却水的方式带走生化反应热。其冷却水冷却的方式有两种，小型的采用夹套冷却其冷却水冷却的方式有两种，小型的采用夹套冷却形式，而大型的生化反应器通常采用在反应器内装形式，而大型的生化反应器通常采用在反应器内装盘管冷却器的形式。盘管冷却器的形式。 在冷却水温度比较稳定的情况下，生化反应器的温在冷却水温度比较稳定的情况下，生化反应器的温度常采用单回路的度常采用单回路的PID控制。这样的温度控制系统由控制。这样的温度控制系统由四个环节组成，即温度测量元件，通常用铂热电阻四个环节组
50、成，即温度测量元件，通常用铂热电阻温度计温度计T，控制器，控制器 ，调节阀和被控过程的生化反，调节阀和被控过程的生化反应器（发酵罐）。应器（发酵罐）。1cG一、生物过程的控制特征一、生物过程的控制特征图 7-18 发 酵 过 程 温 度 控 制1-温 度 传 感 变 送 器 2-温 度 控 制 器 3-调 节 阀 4-生 化 反 映 器 5-夹 套1空 气4M冷 却 水35TC2一、生物过程的控制特征一、生物过程的控制特征（二）（二）pH的控制的控制发酵液的发酵液的pH值既是培养基理化性质的反映，又是微生物值既是培养基理化性质的反映，又是微生物生长代谢的结果，反过来又影响微生物生长和发酵产物生
