1、第五章 生物反应器的检测及控制引言1.检测的目的：（1）稳产高产（2）经济（3）安全2.进行生物反应器检测控制需要明确的几点进行生物反应器检测控制需要明确的几点：（1）检测的具体目的（2）必须检测的参数有那些，能否通过测量检出（3）是否可在线检测，其滞后是否太大。（4）从检测结果，怎么判断生物反应及细胞本身的状态（5）需要控制的主要参数是什么，它与生物反应器的效能有何关系。第一节第一节 生化过程主要检测的参数生化过程主要检测的参数1.温度（Temperature）细胞生长、酶的催化、产物的形成都有最佳温度范围。2.压强 压强主要影响溶氧传质、并且维持适当的正压以免染菌。3.液面高度（1）决定装
2、料系数（2）而且通气和不通气的液面相差很大（3）随着反应进行液面也会变化（如泡沫、蒸发等）因此必需检测液面并保持最佳液面高度。4.泡沫高度 泡沫会导致反应器有效体积减少、染菌、跑料因此必须严格控制。5.培养基流加速度主要是连续和半连续发酵过程。6.通气量（1）溶氧（2）泡沫（3）能耗因此必须加以检测控制7.黏度主要影响：（1）搅拌混合（2）溶氧、物质传递（3）能耗和下游过程8.搅拌转速和功率主要影响：（1）混合、溶氧、物质传递（2）能耗（3）细胞生长、产物生成。9.冷却介质流量和进出口温度 不同发酵时期、对于不同温度的冷却介质。其流量也应不同，因此需检测控制。10.蒸汽压（1）影响温度（如杀菌
3、）（2）跟安全有关因此需保持适当的蒸汽压。11.湿度（1）固体发酵需保持适当的湿度（2）包装车间也要求有适当的湿度12.pH（1）细胞生长、酶催化有其最佳pH范围（2）产物生成也有其最佳pH范围（3）通常pH是生物反应的指示剂，可据此判断一些反应情况。13.容氧浓度和氧化还原电位（1）细胞生长代谢需要适宜的溶氧（2）不同发酵时期容氧要求通常不同（3）它是判断反应是否受到污染（杂菌、噬菌体）的间接参数。在测定微小的溶氧时候通常不能直接测定，而是通过测定氧化还原电位来间接测定。14.发酵液中的CO2浓度对细胞生长、产物生成有影响15.培养基质浓度和产物浓度 基质和产物浓度的检测可以判断发酵进行的情
4、况（是否异常、是否可以结束）16.细胞浓度 细胞浓度是影响发酵生产速率和效率的最关键的因素，所有与细胞有关的反应体系均需测定cell concentration。17.酶活性 酶反应中，酶活性测定与细胞反应体系中细胞浓度的测定具有同等的重要性。第二节 生化过程常用检测方法及仪器一.检测方法及仪器组成1.在线检测:仪器的电极或探头可与培养基直接接触而连续的读取数据,利于自动化,但传感器必须耐高温,精度和稳定性高,响应时间不能太长。2.离线检测:取样出来后,进行检测.在线检测基本原理：在线检测基本原理：被测量传感器信号转换信号放大输 出 显示二.常用仪器及原理:1.无菌取样器(1)微孔陶瓷管取样器
5、(2)渗透膜管取样器2.温度测定(1)热电阻检测器:铂电阻铜电阻半导体热敏电阻 (2)玻璃温度计3.压强的检测常用隔膜式压力表4.液位检测(1)电容法(2)压差法 利用三点压强差测定:A,B,C,PAC/PBC=H/HBC5.培养基和液体流量的测定(1)液体质量流量计(2)电磁流量计(3)漩涡流量计(4)转子流量计等.6.气体流量计(1)体积流量型气体流量计:依据气体流动的动能转换和流动类型的变化来测定.(2)质量流量型气体流量计:依据气体固有性质:导热,导电,电磁感应等来测定.(常用导热性能)7.发酵液粘度的检测(1)振动式粘度计金属棒的振动特性和粘度有关.(2)毛细管粘度计(3)回转式粘度
6、计(4)涡轮旋转流量计 8.搅拌器转速和搅拌功率的检测转速：(搅拌轴上装设感应片切割磁光场,产生的脉冲信号频率与转速相同)(1)磁感应(2)光感应(3)测速发电机(输出电压和转速为线性关系)（2）搅拌功率9.pH的检测10.溶氧浓度的检测(1)溶氧电极:利用氧在阴极上得到电子被还原而产生的电流和被还原的氧成正比,因此可确定氧浓度Ag+Cl-AgCl+e.阳极O2+2H2O+4e 4OH-阴极11 溶解二氧化碳浓度的检测 用对二氧化碳分子具有独特选择性渗透的微孔膜，使二氧化碳通过并进入饱和的碳酸氢钠缓冲液中，平衡后pH和溶解的CO2浓度有确定的数学关系。12.排气中氧分压和二氧化碳分压测定（1）
7、氧分压测定：磁氧分析法，极谱电位法和质谱法。222012()100MOMOBBpHc 222012()100MOMOBBpHc P.排气在磁场中和无磁场空间的压强差0常数H.磁场强度M排出气体的磁化率O2氧气的磁化率B背景气体磁化率co2 氧气浓度（2）二氧化碳分压的检测：红外线测定仪，二氧化碳电极 红外线测定仪：CO2在近红外线中有最大吸收峰，如果在这峰波段中通过含CO2的气体时，光强度减弱，减弱量和二氧化碳浓度相关。13细胞浓度测定。（1）全细胞浓度的测定：湿重法，干重法，浊度法，湿细胞体积法。在线检测要求：响应快，而连续；灵敏度高0.02g/L以上；对细胞无害；易于清洗灭菌。能满足在线检
8、测的仪器为：流通式浊度仪 原理：当一定波长的光通过发酵液时，在一定的胞浓度范围内，细胞浓度与OD（吸光度）成线性关系。（2）活细胞的测定：利用活细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质来间接测定活细胞浓度。如：ATP和NADH第三节 生物传感器的类型及原理一酶电极1原理：物质通过固定化酶的膜反应后其产物发生电极反应，产生电流。GH2O 葡萄糖酸H2O2H2O2 O22H2e2概念（1）稳态响应稳态响应：当酶电极置于被检测溶液时，电信号就随时间而逐渐增加，最后趋于稳定，称此为稳态响应。（2）响应时间：响应时间：当酶电极置于被检测溶液时，待测物质浓度改变后，电信号输出达到稳态时所需时间。3存在问题（1
9、）有些情况下酶的非专一性（结构类似物，离子干扰）（2）寿命短寿命（酶本身的稳定性，使失活的物质，pH）二微生物电极1呼吸测定型（1）原理利用微生物吸收并代谢待测有机物质而消耗氧气或产生二氧化碳来间接测定待测物质。2代谢产物测定型 通过测定微生物分解待测有机物而产生的物质，来间接测定有机物。1.铂电极 2.聚PTFE膜 3.固定化微生物膜 2.4.尼龙网 5.铂电极 6.O型环 7.电解液呼吸测定型微生物传感器代谢测定型1.过氧化银电极2.电解液3.O形环4.铂电极5.固定化微生物膜6.阴离子交换膜三免疫电极1.标记免疫电极 固定化（抗原或抗体）后，利用标记的抗原或抗体和发酵液中相应的抗原或抗体
10、和固定化的抗原或抗体竞争性结合反应，然后分离测定标记物的含量，从而推测出抗原或抗体反应前所加入的未标记物的量，即发酵液中某物质（未标记）含量。2非标记免疫电极(1)膜免疫电极：抗体或抗原固定在膜上，使抗原抗体反应在膜表面进行，测定反应前后膜电位的变化。(2)化学修饰电极：用化学修饰法固定抗原或抗体在金属电极表面，电极电位就因表面的抗原抗体反应而发生改变，由此测定待测溶液抗体或抗原浓度。四生物传感器的换能器件 1.以电化学为基础的技能器件：电流型和电位型电极2.热敏器件3.半导体生物传感器4.介体生物传感器 以电子介体为生物传感器的电子受体，从而取代通常的以O2或H 2O2，在酶反应所起的电子传
11、递作用。5.光生物传感器原理：（1）生物发光反应的测量。（2）生物物质的光吸收、光激发等生物质中光的能量传递为基础。（3）生物反应物质对光传播的干扰原理。第四节第四节 生化过程控制概论生化过程控制概论一、生化反应过程主要参数的控制1.温度控制2.pH控制3.溶解氧控制4.泡沫控制5.糖等基质浓度的控制二、控制系统概述1.程序控制顺序控制，时间控制，条件控制2.程序控制和反馈控制的结合3.优化控制（主要指基于发酵过程数学模型）总结概念：稳态响应、响应时间1.进行生物反应器检测控制需要明确的几点?2.生化过程主要检测的参数,这些参数的重要性？3.了解常用检测仪器的原理？4.微生物电极检测原理？5.非标记免疫电极和标记免疫电极检测原理
