1、第五章生物反应器的检测及控制生物反应器的检测及控制l在微生物发酵以及其他生物反应过程中，为在微生物发酵以及其他生物反应过程中，为了使生产稳产高产，降低原材料消耗，节省了使生产稳产高产，降低原材料消耗，节省能量和劳动力，防止事故发生，实现安全生能量和劳动力，防止事故发生，实现安全生产，必须对生物反应过程和反应器系统实行产，必须对生物反应过程和反应器系统实行检测和控制检测和控制。l 生物反应器的检测是利用各种生物反应器的检测是利用各种传感器传感器及其及其他他检测手段检测手段对反应器系统中各种参变量进行对反应器系统中各种参变量进行测量，并通过光电转换等技术用二次仪表显测量，并通过光电转换等技术用二次
2、仪表显示或通过计算机处理。示或通过计算机处理。检测控制中要明了下述几点：检测控制中要明了下述几点： （1 1）进行检测的）进行检测的目的目的； （2 2）有多少必须检测的状态参数，这些参变量能）有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出？否测量检出？ （3 3）能测定的参数可否）能测定的参数可否在线检测在线检测，其响应滞后是，其响应滞后是否太大？否太大？ （4 4）从状态参数的检测结果，如何）从状态参数的检测结果，如何判断判断该生物反该生物反应器及生物细胞本身的状态；应器及生物细胞本身的状态； （5 5）反应系统中需控制的）反应系统中需控制的主要参变量主要参变量是什么？这是什么？这些需控
3、制的参变量与生物反应效能如何些需控制的参变量与生物反应效能如何相关对应相关对应？第一节第一节 生化过程主要检测的参变量生化过程主要检测的参变量物理参数物理参数 1 1温度温度 2 2压强压强 3 3液面（或浆液量）液面（或浆液量） 4 4泡沫高度泡沫高度 5 5培养基流加速度培养基流加速度 6 6通气量通气量 7 7粘度（或表观粘度）粘度（或表观粘度）物理参数 8 8搅拌转速与搅拌功率搅拌转速与搅拌功率9 9冷却介质流量与温度冷却介质流量与温度1010蒸汽压强蒸汽压强 11 11湿度湿度1212酸、碱及消泡剂用量酸、碱及消泡剂用量 化学参数1. pH 2. 1. pH 2. 溶氧浓度溶氧浓度3
4、. 3. 溶解溶解COCO2 2浓度浓度 4. 4. 氧化还原电位氧化还原电位5. 5. 排气的氧分压排气的氧分压 6. 6. 排气的排气的COCO2 2分压分压7. 7. 培养基质浓度培养基质浓度 8. 8. 产物浓度产物浓度9. 9. 前体浓度前体浓度生物量细胞浓度细胞浓度酶活性酶活性细胞生长速率细胞生长速率第二节 生化过程常用检测方法及仪器一、检测方式及仪器的组成一、检测方式及仪器的组成l在线（在线（OnOnline line ）检测）检测：仪器的电极等：仪器的电极等可直接与反应器内的培养基接触或可连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；续从反应器中取样进行分析
5、测定；l离线（离线（OffOffline line ）检测）检测：从反应器中取：从反应器中取样出来，然后用仪器分析或化学分析等样出来，然后用仪器分析或化学分析等方法进行检测。方法进行检测。l对生物发酵过程的控制来讲，对生物发酵过程的控制来讲，在线检测在线检测是首选方式。是首选方式。生物反应检测仪器的基本构成 l. l.传感器传感器2.2.信号转换信号转换3.3.信号放大信号放大 4.4.输出显示输出显示二、主要参数检测原理及仪器l杜绝杂菌污染。杜绝杂菌污染。l无论是在线检测或取样分析，均应尽无论是在线检测或取样分析，均应尽可能可能不影响不影响反应器系统的运行状态。反应器系统的运行状态。l 对于
6、挥发性物质的检测，可采用对于挥发性物质的检测，可采用微微孔管孔管在线取样检测法。在线取样检测法。发酵罐内无菌取样系统 （1 1）陶）陶瓷微孔瓷微孔膜取样膜取样系统系统 （2 2）渗透膜取样系统）渗透膜取样系统 微孔管在线取样装置微孔管在线取样装置 1. 1. 温度的测定温度的测定l 温度检测仪表有温度检测仪表有热电阻检测器热电阻检测器（RTDRTD）、）、半导半导体热敏电阻体热敏电阻、热电偶热电偶和和玻璃温度计玻璃温度计等。等。l 最常用的是最常用的是金属热电阻温度计金属热电阻温度计，其中以，其中以铂电阻温铂电阻温度计度计最常用，其次最常用，其次铜电阻温度计铜电阻温度计也可选择。也可选择。l
7、铂电阻温度计铂电阻温度计可耐热杀菌，耐腐蚀，精度高，但可耐热杀菌，耐腐蚀，精度高，但价钱较贵。价钱较贵。铜电阻温度计铜电阻温度计价格较便宜，但容易氧化，价格较便宜，但容易氧化，且温度计的体积也较大。且温度计的体积也较大。l 半导体热敏电阻半导体热敏电阻具有灵敏度高、响应时间短的优具有灵敏度高、响应时间短的优点，但体积小、结构简单、耐腐蚀性好、寿命长，点，但体积小、结构简单、耐腐蚀性好、寿命长，但因其温度与电阻值的关系非线性，所以使用不多但因其温度与电阻值的关系非线性，所以使用不多 2压强的检测l 最常用的压强检测仪是最常用的压强检测仪是隔膜式隔膜式压力表压力表。l 在生物反应器中，在压力表安在
8、生物反应器中，在压力表安装时必须注意使仪表的管路能够装时必须注意使仪表的管路能够加热灭菌加热灭菌，尽量，尽量不存在死角不存在死角，这，这样才能保证反应器的无菌操作。样才能保证反应器的无菌操作。3液位和泡沫高度的检测l液位的检测主要方法有液位的检测主要方法有压差压差法法、电容法电容法和和电导法电导法等。等。电容式液面计示意图电容式液面计示意图 压差法测量压差法测量液位原理液位原理 泡沫高度的测定l最常用的方法是最常用的方法是电极探针测定法电极探针测定法：当：当泡沫产生增多，其表面上升与电极泡沫产生增多，其表面上升与电极探探针针接触从而产生电信号。接触从而产生电信号。l泡沫高度的检测还可应用泡沫高
9、度的检测还可应用声波法声波法，即，即利用装于罐顶的装置发射声波，检测利用装于罐顶的装置发射声波，检测此声波经液面反射后返回罐顶所需的此声波经液面反射后返回罐顶所需的时间时间，就可推出泡沫表面高度。，就可推出泡沫表面高度。 4 4培养基和液体流量测定培养基和液体流量测定椭圆流量计效应流量计椭圆流量计效应流量计 科里奥利（科里奥利（CoriolisCoriolis）效应流量计）效应流量计 5 5气体流量计气体流量计（1 1）体积流量型气体流量计体积流量型气体流量计 原理：原理：根据根据流动气体动能流动气体动能的转换及的转换及流动流动类型改变类型改变而检测其流量。而检测其流量。 实验室小试和中试发酵
10、系统几乎都应用实验室小试和中试发酵系统几乎都应用转子流量计转子流量计。 同心孔板压差式同心孔板压差式流量计，可用于工业生流量计，可用于工业生产规模上。产规模上。气体流量计气体流量计（2 2）质量流量型气体流量计质量流量型气体流量计l检测原理是利用检测原理是利用流体的固有性质流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应及导如质量、导电性、电磁感应及导热等特性而进行设计的。热等特性而进行设计的。l对对气体流量气体流量测定，最常用的是利测定，最常用的是利用其用其导热性能导热性能。气体热质量流量传感器结构气体热质量流量传感器结构 气体热质量流量计工作原理 6发酵液粘度的检测l发酵工业上常用的粘度测定仪有发
11、酵工业上常用的粘度测定仪有振动式粘度传感仪振动式粘度传感仪、毛细管粘度毛细管粘度计计、回转式粘度计回转式粘度计以及以及涡轮旋转涡轮旋转粘度计粘度计等。等。（1）振动式粘度传感仪可保证可保证无菌操作无菌操作，但只能测定粘度但只能测定粘度的的相对值相对值，且精，且精确度较差，仍有确度较差，仍有待改进提高。待改进提高。（2）发酵液循环粘度测定l装设装设自动无菌取样循环系统自动无菌取样循环系统，使，使发酵液通过取样管路流过旋转式发酵液通过取样管路流过旋转式粘度计或毛细管粘度计，以实现粘度计或毛细管粘度计，以实现发酵液粘度的发酵液粘度的连续在线检测连续在线检测。7搅拌转速和搅拌功率（1 1）搅拌转速）搅
12、拌转速l搅拌转速的检测常用方法有搅拌转速的检测常用方法有磁感应式磁感应式、光感应式光感应式和和测速发电机测速发电机等三种。等三种。l前两种测速仪是利用搅拌轴或电机轴上装设的感前两种测速仪是利用搅拌轴或电机轴上装设的感应片切割磁场或光束而产生脉冲信号，此信号即应片切割磁场或光束而产生脉冲信号，此信号即脉冲频率与搅拌转速相同脉冲频率与搅拌转速相同。l测速发电机是利用在搅拌轴上或电机轴上装设一测速发电机是利用在搅拌轴上或电机轴上装设一小型发电机，后者的小型发电机，后者的输出电压与搅拌转速成线性输出电压与搅拌转速成线性关系关系。 （2）发酵搅拌功率l生产规模的发酵罐搅拌功率生产规模的发酵罐搅拌功率只是
13、测定驱动电机的只是测定驱动电机的电压与电压与电流电流，或直接测定，或直接测定电机搅拌电机搅拌功率功率。8. PH的检测l最通用的最通用的pHpH测定仪是测定仪是复合复合pHpH电极电极，因其具有结构紧凑，可，因其具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌蒸汽加热灭菌的优点。的优点。复合PH电极结构 复合PH电极l为了使为了使PHPH电极适应工业发酵生产的要求，电极适应工业发酵生产的要求，通常加装通常加装不锈钢保护套不锈钢保护套才能插入发酵罐中才能插入发酵罐中使用。使用。l具有具有温度补偿系统温度补偿系统。l在每批发酵灭菌操作前后在每批发酵灭菌操作前后进行标定进行标定。l通常通常PHPH计的测定范围是计的测定
14、范围是0 01414，精度达，精度达10.0510.050.1PH0.1PH，响应时间数秒至数十秒，响应时间数秒至数十秒，灵敏度为灵敏度为0.1PH0.1PH。9溶氧浓度的检测l通常用通常用溶氧电极溶氧电极法，其化学基础是法，其化学基础是氧分子在阴极上还原，因而有电流氧分子在阴极上还原，因而有电流产生，所产生的电流和被还原的氧产生，所产生的电流和被还原的氧量成正比，故设法测定此电流值就量成正比，故设法测定此电流值就可确定发酵液的溶氧浓度。可确定发酵液的溶氧浓度。溶氧电极溶氧电极l实际上，用一层高分子膜使电极与被测溶液分隔实际上，用一层高分子膜使电极与被测溶液分隔开，具有如下特点：开，具有如下特
15、点： （1 1）氧分子扩散透过膜是限速步骤，故测出的电）氧分子扩散透过膜是限速步骤，故测出的电流值与溶氧浓度成正比；流值与溶氧浓度成正比； （2 2）温度变化）温度变化11，则产生，则产生4 4的变化，故必须的变化，故必须装设温度补偿线路；装设温度补偿线路； （3 3）电流值和氧的扩散系数与溶解度的乘积成）电流值和氧的扩散系数与溶解度的乘积成正比关系；正比关系； （4 4）这类溶氧电极的阳极面积应比阴极面积大）这类溶氧电极的阳极面积应比阴极面积大得多，这样可减小误差。得多，这样可减小误差。 溶氧电极溶氧电极l溶氧电极的溶氧值有两种表示方法，即溶氧电极的溶氧值有两种表示方法，即饱和溶氧的百分数饱
16、和溶氧的百分数和和溶氧值溶氧值，前者最常，前者最常用。用。l值得注意的是值得注意的是，测定时要使电极周围的，测定时要使电极周围的液体液体适度流动适度流动，以加强传质，尽量减小，以加强传质，尽量减小与电极膜接触的液膜滞流层厚度，并减与电极膜接触的液膜滞流层厚度，并减少气泡和生物细胞在膜上积存，以保证少气泡和生物细胞在膜上积存，以保证溶氧测定的准确。溶氧测定的准确。10溶解CO2浓度的检测测定原理测定原理l利用对利用对COCO2 2分子有特殊选择渗透通过分子有特殊选择渗透通过特性的特性的微孔膜微孔膜，使扩散通过的，使扩散通过的COCO2 2进进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后入饱和碳酸氢钠缓冲溶液
17、中，平衡后显示的显示的pHpH与溶解的与溶解的COCO2 2浓度成正比，浓度成正比，由此原理并通过变换就可测出溶解由此原理并通过变换就可测出溶解COCO2 2浓度。浓度。溶解CO2浓度的检测l溶解溶解 COCO2 2浓度测定仪的工作原理浓度测定仪的工作原理和和 pHpH计类似计类似l不同点是电极内装了饱和的不同点是电极内装了饱和的碳酸碳酸氢钠氢钠溶液，在高温灭菌时会部分溶液，在高温灭菌时会部分分解，故要每次分解，故要每次灭菌后灭菌后均需均需校准校准才能测定。才能测定。11氧化还原电位（ORP）的检测l检测原理：基于溶液中的金属电极上进行的电检测原理：基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡
18、时，具有相应的氧化还原电位子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值，此值与溶液的值，此值与溶液的PHPH和温度有关。和温度有关。l溶液的氧化还原电位值不仅取决于溶氧值，还溶液的氧化还原电位值不仅取决于溶氧值，还与温度与温度T T和和PHPH有关。有关。l目前常用的氧化还原电极的检测范围在一目前常用的氧化还原电极的检测范围在一700700700mV700mV，灵敏度，灵敏度110mV110mV，响应时间数，响应时间数十秒至数分钟，精度为十秒至数分钟，精度为0.1l0.1lFSFS。1212排气的氧分压和排气的氧分压和COCO2 2分压的检测分压的检测 （1 1）排气的氧分压的检测：）排气的氧分
19、压的检测：l气体中氧浓度的检测，主要有气体中氧浓度的检测，主要有磁氧分析磁氧分析、极谱电位法极谱电位法和和质谱法质谱法。磁氧分析仪的检测原理：磁氧分析仪的检测原理：l氧是顺磁性的，它的磁化率较大，在所氧是顺磁性的，它的磁化率较大，在所有气体中占有重要地位；而大多数气体有气体中占有重要地位；而大多数气体具有抗磁性，而且有较小的磁化率。具有抗磁性，而且有较小的磁化率。 磁氧分析仪结构原理图磁氧分析仪结构原理图（2）排气中CO2分压的检测l 常用的排气中常用的排气中COCO2 2分压（浓度）检测仪为分压（浓度）检测仪为红外线二氧化碳红外线二氧化碳测定仪和测定仪和二氧化碳电极二氧化碳电极。l 红外线二
20、氧化碳分析仪原理：红外线二氧化碳分析仪原理：COCO2 2的红外的红外吸收峰在吸收峰在2.62.62.92.910103 3和和4.14.14.54.510103 3nmnm之间。在上述两个波段的近红外线通过含有之间。在上述两个波段的近红外线通过含有COCO2 2的气体时，光强度衰减，其衰减量依从的气体时，光强度衰减，其衰减量依从LambertLambertBeerBeer的规则。的规则。 通气发酵罐排气检测流程图通气发酵罐排气检测流程图l. l.粗滤器粗滤器2.2.膜片泵膜片泵3.3.贮气瓶贮气瓶4.4.除水器除水器5.5.流量计流量计6.6.精过精过滤器滤器7.CO27.CO2检测仪检测仪
21、8.8.氧分析仪氧分析仪 1313细胞浓度测定细胞浓度测定l 生物细胞浓度的测定有生物细胞浓度的测定有全细胞浓度全细胞浓度和和活细胞浓度活细胞浓度之分。之分。 （1 1）全细胞浓度的测定：全细胞浓度的测定：可分湿重法、可分湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积等。干重法、浊度法、湿细胞体积等。 以准确度来说，干重法最好，但其余以准确度来说，干重法最好，但其余三种方法简便易行，节省时间，有利于三种方法简便易行，节省时间，有利于生产过程的生产过程的监测控制监测控制，尤其是对发酵流，尤其是对发酵流加操作和连续操作过程。加操作和连续操作过程。 在线检测 对于生物反应器对于生物反应器在线检测在线检测用的生物
22、传感器或普用的生物传感器或普通的传感器，必须尽可能满足下述要求：通的传感器，必须尽可能满足下述要求： 响应要连续、迅速；响应要连续、迅速； 灵敏度应在灵敏度应在 0.02g/L0.02g/L以上；以上； 电极本身对生物细胞无影响；电极本身对生物细胞无影响； 检测过程对细胞无损伤，不必加药物；检测过程对细胞无损伤，不必加药物； 可检测含固体微粒营养物质的发酵液；可检测含固体微粒营养物质的发酵液； 易于清洗、灭菌。易于清洗、灭菌。细胞浓度在线检测浊度计细胞浓度在线检测浊度计 流通式浊度计流通式浊度计流通式浊度计l用流通式浊度计检测细胞浓度，必须注意：用流通式浊度计检测细胞浓度，必须注意： A A适
23、用于适用于游离细胞游离细胞，细胞形状为球状、杆，细胞形状为球状、杆状的酵母、细菌、绿藻等。状的酵母、细菌、绿藻等。 B B空气泡空气泡会干扰读数，使样液先经气液分会干扰读数，使样液先经气液分离器脱气后才检测可减少误差。离器脱气后才检测可减少误差。 C. C. 传感器的比色皿会因细胞附壁而增大测定传感器的比色皿会因细胞附壁而增大测定误差，为尽量使此误差减至最小，可适当提误差，为尽量使此误差减至最小，可适当提高发酵液流过光电比色皿时的高发酵液流过光电比色皿时的速度速度。 （2）活细胞浓度测定测定原理：测定原理：l利用活生物细胞催化的反应或活细胞本利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使用
24、身特有的物质而使用生物发光生物发光或或化学发化学发光法光法进行测定。进行测定。l对于取样离线测试方法还有染色计数法对于取样离线测试方法还有染色计数法检测活细胞数，这可用于多数的微生物检测活细胞数，这可用于多数的微生物和动植物细胞。和动植物细胞。荧光测量活细胞装置简图 流动细胞计数法流动细胞计数法测定原理测定原理 被检测的含细胞的试样流过检测器，被检测的含细胞的试样流过检测器，使细胞逐个滴下，由使细胞逐个滴下，由激光激光检出，根据检出，根据预先设定的各种细胞的预先设定的各种细胞的电特性电特性进行识进行识别，由此可统计出细胞的尺寸分布及别，由此可统计出细胞的尺寸分布及细胞龄等特性。细胞龄等特性。流
25、式流式细胞细胞仪结仪结构示构示意图意图 三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析三、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析l反应溶液中的营养成分和产物、副产物反应溶液中的营养成分和产物、副产物的分析测定十分重要，但至今大多数的的分析测定十分重要，但至今大多数的成分仍未能在线检测。成分仍未能在线检测。l通常是在反应器中装设微孔陶瓷取样器通常是在反应器中装设微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器进行或渗透膜取样器进行无菌取样无菌取样，然后使，然后使用用HPLCHPLC或或GCGC等仪器或化学方法进行检等仪器或化学方法进行检测。测。第三节 生化过程控制概论l生物反应过程生物反应过程检测的目的检测的目的是为了提供对生
26、物反应是为了提供对生物反应有影响的信息，便于对反应器进行适当的控制。有影响的信息，便于对反应器进行适当的控制。l控制的最终目的控制的最终目的，在于创造良好条件，使生物催，在于创造良好条件，使生物催化剂处于高效的催化活性状态，以使所进行的生化剂处于高效的催化活性状态，以使所进行的生物反应高速、高效、收率高，以降低原材料和能物反应高速、高效、收率高，以降低原材料和能量消耗，同时保证产品质量。量消耗，同时保证产品质量。l生物反应器的控制主要包括温度、生物反应器的控制主要包括温度、pHpH、溶氧浓度、溶氧浓度（具体是通气量与搅拌转速）、机制和细胞浓度（具体是通气量与搅拌转速）、机制和细胞浓度等的控制。等的控制。 通通气气发发酵酵控控制制系系统统示示意意图图 程序控制 可把运行过程按时间先后预设定其操作可把运行过程按时间先后预设定其操作顺序以进行控制，称此为程序控制。顺序以进行控制，称此为程序控制。l它主要包括它主要包括顺序控制顺序控制、时间控制时间控制和和条件条件控制控制三类控制因素。三类控制因素。l在生化反应器间歇操作程序控制的实施在生化反应器间歇操作程序控制的实施中，部分程序可实行自动控制，有时需中，部分程序可实行自动控制，有时需操作人员据实际情况而决定操作。操作人员据实际情况而决定操作。程序控制过程示意图程序控制过程示意图 间歇发酵流程及其程序控制
