1、发酵机械与设备发酵机械与设备徐徐 明明 芳芳 博博 士士教教 授授暨暨 南南 大大 学学 生生 科科 院院2015-12-4目录绪论绪论第一篇第一篇 生物质原料处理设备生物质原料处理设备第二篇第二篇 生物反应设备生物反应设备第三篇第三篇 产物分离设备产物分离设备第四篇第四篇 其他设备其他设备底物底物生物反应器生物反应器检测控检测控制仪表制仪表培养基培养基（灭菌）（灭菌）经加工经加工原料原料酶酶细胞细胞生物催化剂生物催化剂（游离或固定化）（游离或固定化）机械能机械能除除菌菌空气空气产品提取纯化产品提取纯化副产品副产品产品产品废物废物热能热能原材料原材料营养物营养物典型工业生物技术过程典型工业生物
2、技术过程 第一章第一章 生物质原料预处理设备生物质原料预处理设备 第二章第二章 生物细胞培养基制备设备生物细胞培养基制备设备 第三章第三章 生物培养基灭菌设备生物培养基灭菌设备 第四章第四章 原料（物料）输送设备原料（物料）输送设备第一节第一节 发酵设备概述发酵设备概述第三节第三节 自吸式发酵罐自吸式发酵罐第四节第四节 气升式发酵罐气升式发酵罐(ALR)(ALR)第二篇第二篇 生物反应设备生物反应设备第八章第八章 生物反应器的检测及控制生物反应器的检测及控制底物底物生物反应器生物反应器检测控检测控制仪表制仪表培养基培养基（灭菌）（灭菌）经加工经加工原料原料酶酶细胞细胞生物催化剂生物催化剂（游离
3、或固定化（游离或固定化）机械能机械能除除菌菌空气空气产品提取纯化产品提取纯化副产品副产品产品产品废物废物热能热能原材料原材料营养物营养物典型工业生物技术过程典型工业生物技术过程思考题思考题1、发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制的主要的参数与作用的参数与作用2、温度的、温度的 检测仪表有哪几类？检测仪表有哪几类？3、热量测定装置有哪几类？、热量测定装置有哪几类？4、简述压差法测定液位的原理简述压差法测定液位的原理5、泡沫高度的检测采用那些方法？、泡沫高度的检测采用那些方法？6、发酵液黏度的检测采用那些仪器、发酵液黏度的检测采用那些仪器7、pH的检测计的结构及其工作原理的检测计的结构及其工作原
4、理8、简述溶解、简述溶解CO2浓度的测定原理浓度的测定原理9、简述氧化还原电位（、简述氧化还原电位（ORP）的检测原理）的检测原理10、简述排气的氧分压的测定的方法与原理、简述排气的氧分压的测定的方法与原理11、简述排气的、简述排气的CO2分压的测定的方法与原理分压的测定的方法与原理12、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析主要包括那些？、生物发酵溶液中营养成分与产物的分析主要包括那些？13、生物传感器的基本组成包括那些部分？简述其工作原理。生物传感器的基本组成包括那些部分？简述其工作原理。14、列表分析生物传感器的分类。、列表分析生物传感器的分类。16、般检控系统包括那几个部分？般检控系统包括
5、那几个部分？18、如何实现温度、如何实现温度、pH、溶解氧、泡沫控制？、溶解氧、泡沫控制？第八章第八章生物反应器的检测及自动控制生物反应器的检测及自动控制 第一节生化过程主要参数第一节生化过程主要参数 第二节常用检测方法及仪器第二节常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 发酵液中营养成分与产物的分析发酵液中营养成分与产物的分析 第三节生物传感器的研究开发与应用第三节生物传感器的研究开发与应用 生物传感器的类型及结构原理生物传感器的类型及结构原理生物反应过程及反应器的生物反应过程及反应器的：（1）进行检测的目的；）进行检测的目的；（2）有多少）有多少，；（3），其响应滞
6、后是否太长；，其响应滞后是否太长；（4）利用检测结果怎样）利用检测结果怎样；（5）。生物反应器的检测及控制第一节生化过程主要参数第一节生化过程主要参数参数名称参数名称测试方法测试方法意义、主要作用意义、主要作用温度温度传感器传感器维持生长、合成维持生长、合成罐压罐压压力表压力表维持正压、增加维持正压、增加DO空气流量空气流量传感器传感器供氧、排泄废气、提高供氧、排泄废气、提高KLa搅拌速率搅拌速率传感器传感器物料混合、提高物料混合、提高KLa粘度粘度粘度计粘度计反映细胞生长、反映细胞生长、KLa液面液面传感器传感器反映操作稳定性、生产率反映操作稳定性、生产率浊度浊度传感器传感器反映细胞生长情况
7、反映细胞生长情况泡沫泡沫传感器传感器反映发酵代谢、操作稳定性反映发酵代谢、操作稳定性传质系数传质系数间接计算，在线检测间接计算，在线检测反映供氧效率反映供氧效率加糖速率加糖速率传感器传感器反映耗氧情况反映耗氧情况加消泡剂速率加消泡剂速率传感器传感器反映泡沫情况反映泡沫情况加其它基质速率加其它基质速率传感器传感器反映基质利用情况反映基质利用情况生化过程各参数及其测试概况生化过程各参数及其测试概况参数名称参数名称测试方法测试方法意义、主要作用意义、主要作用细胞浓度细胞浓度取样取样了解生长情况了解生长情况细胞中细胞中ATP、ADP取样取样了解细胞的能量代谢活力了解细胞的能量代谢活力细胞中细胞中NAD
8、H2在线荧光法在线荧光法了解细胞的合成能力了解细胞的合成能力溶解氧浓度溶解氧浓度传感器传感器反映供氧情况反映供氧情况排气排气O2浓度浓度传感器传感器了解耗氧情况了解耗氧情况溶解溶解CO2浓度浓度传感器传感器了解了解CO2对发酵的影响对发酵的影响排气排气CO2浓度浓度传感器（红外吸收）传感器（红外吸收）了解细胞的呼吸情况了解细胞的呼吸情况酸碱度酸碱度传感器传感器反映细胞的代谢途径反映细胞的代谢途径产物浓度产物浓度取样（传感器）取样（传感器）产物合成情况产物合成情况基质浓度基质浓度取样取样了解基质的利用情况了解基质的利用情况第一节生化过程各参数及其测试概况第一节生化过程各参数及其测试概况第一节、第
9、一节、发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制的主要的参数的参数1、物理参数、物理参数8个个检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响影响温度温度铂电阻铂电阻 热热敏电阻敏电阻 qP c*罐压罐压(0.20.5105Pa)隔膜传感器隔膜传感器 压敏电阻压敏电阻 Pa保持正压，防止染菌保持正压，防止染菌 O2 及及 CO2 的溶解度的溶解度 搅拌转数搅拌转数频率计数器频率计数器 r/min Kla 发酵液的均匀性发酵液的均匀性 搅拌功率搅拌功率(2-4KW/m3)功率计功率计KwKla空气流量空气流量浮子流量计浮子流量计 孔板差压计孔板差压计 m3 h-1 vvm Kla 粘度粘度旋转粘度计
10、旋转粘度计 Pa s Kla 浊度浊度浊度计浊度计%反映单细胞的生长反映单细胞的生长 料液的流量料液的流量蠕动泵蠕动泵 荷重传感器荷重传感器 量筒量筒 L h-1 S 发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制的主要的参数的参数2、化学参数、化学参数 7个个检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响及作用影响及作用复合玻璃电极复合玻璃电极 菌体和产物合成速度菌体和产物合成速度 酶促反应的方向酶促反应的方向 HPLC 离子选择电极离子选择电极 生物传感器生物传感器 取样取样g L-1 qP 发酵周期的长短发酵周期的长短氧化还原电位电极氧化还原电位电极 mV 生长和生化活性生长和生化活性 覆膜氧
11、电极覆膜氧电极%qo2顺磁氧分析仪顺磁氧分析仪 Pa反映反映OUR 和和 Kla 红外气体分析仪红外气体分析仪%反映反映OUR 和和 Kla发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制的主要的参数的参数3、生物参数、生物参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响影响菌丝形态菌丝形态摄像显微镜摄像显微镜 取样镜检取样镜检 反映菌体发育阶段反映菌体发育阶段 和正常与否和正常与否 菌体浓度菌体浓度取样取样：干重、浊度、：干重、浊度、活菌计数、离心沉活菌计数、离心沉降降g L-1 影响菌体的生化反应影响菌体的生化反应 Kla第二节生化过程常用检测方法及仪器第二节生化过程常用检测方法及仪器v 主要参
12、数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 1取样系统取样系统生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器v 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 2温度的测定温度的测定 检测仪表有：检测仪表有：热电阻检测器热电阻检测器（resistance thermal detector，RTD）、半导体热敏电阻、热电偶、玻璃温度计半导体热敏电阻、热电偶、玻璃温度计。温度传感器生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器v 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 3热量的测定热量的测定 热交换器发酵热测量热交换器发酵热测量 ：绝热式微量热计、热流量热计、流通式量热计绝热式微量热计
13、、热流量热计、流通式量热计。热交换器发酵热测量热交换器发酵热测量 量热计量热计反应反应平衡平衡 零检测器零检测器不平衡信号不平衡信号计算器计算器记录器记录器不平衡不平衡信号信号标定标定t反反t平平绝热式微量热计原理图绝热式微量热计原理图 绝热式热量计的外筒温度能自动跟踪内筒温度，绝热式热量计的外筒温度能自动跟踪内筒温度，始终与内筒温度保持一致，内外筒间不存在温始终与内筒温度保持一致，内外筒间不存在温差，因而没有热交换，不需要进行冷却校正。差，因而没有热交换，不需要进行冷却校正。因而，使用绝热式热量计，操作和计算都比较因而，使用绝热式热量计，操作和计算都比较简单，但仪器结构较为复杂，不易维护。简
14、单，但仪器结构较为复杂，不易维护。恒温式热量计的外筒温度恒定不变，内外筒间恒温式热量计的外筒温度恒定不变，内外筒间存在温差，因而内外筒有热交换，需要进行冷存在温差，因而内外筒有热交换，需要进行冷却校正。使用恒温式热量计，操作步骤和计算却校正。使用恒温式热量计，操作步骤和计算都比较复杂，但仪器构造简单，容易维护。都比较复杂，但仪器构造简单，容易维护。微机量热仪微机量热仪 生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器v 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 热量的测定热量的测定热流量热计热流量热计Calvet微量热器微量热器流通式量热计流通式量热计生化过程常用检测方法及仪器生化过程
15、常用检测方法及仪器v 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 4罐压检测：罐压检测：隔膜式压力表；隔膜式压力表；压力信号转换器：电阻式、电感式、电容式和半导体式等压力信号转换器：电阻式、电感式、电容式和半导体式等。测压点和控制点的选择应考虑的因素：测压点和控制点的选择应考虑的因素：1）防止染菌，避免死角，防止固形物的堆积；）防止染菌，避免死角，防止固形物的堆积；2）注意气源波动对压力的影响。）注意气源波动对压力的影响。电极电极参比电极参比电极生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器v 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 5液位的检测液位的检测 检测方法：检测方法：电
16、容法、压力法和电导法电容法、压力法和电导法等。等。电容式液面计示意图电容式液面计示意图 电容法电容法PP1PP2计算计算ABC HH生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器v 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 液位的检测液位的检测 压差法压差法HppH12p1=Pc-Pbp2=Pc-Pa生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器v 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 液位探针液位探针 常用检测方常用检测方法：电极探针测定法：电极探针测定法和声波法。法和声波法。生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理
17、及仪器椭圆流量计工作原理图 椭圆流量计椭圆流量计 生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 6培养基和液体流量测定培养基和液体流量测定 科里奥利质量流量计（科里奥利质量流量计（CMFCMF）利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 6培养基和液体流量测定培养基和液体流量测
18、定 利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器6 6常用常用培养基和液体培养基和液体流量计流量计动画演示动画演示动画演示动画演示动画演示动画演示生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 根据作用原理，流量计可分为：体积流量型和质量流量型。根据作用原理，流量计可分为：体积流量型和质量流量型。体积流量型体积流量型 根据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量根
19、据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量装置。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。装置。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 质量流量型质量流量型 根据流体的固有性质（如根据流体的固有性质（如质量、导电性、电磁感应性、离子化和热传导性质量、导电性、电磁感应性、离子化和热传导性能）等设计的气体流量计能）等设计的气体流量计。主要类型有同心。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计孔板压差流量计和转子流量计。气体热质量流量传感器气体热质量流量传感器生化过程常用检测方法及仪器生化过程
20、常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 8 发酵液黏度的检测发酵液黏度的检测 常用的黏度测定仪有：常用的黏度测定仪有：振动式黏度传感仪、毛细管黏度计、回转式黏振动式黏度传感仪、毛细管黏度计、回转式黏度计和涡轮旋转黏度计等。度计和涡轮旋转黏度计等。振动式黏度计振动式黏度计生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 8发酵液黏度的检测发酵液黏度的检测毛细管黏度计毛细管黏度计生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 8发酵液黏度的检测发酵液黏度的检测回转式黏度计
21、回转式黏度计生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 搅拌转速的检测常用方法：搅拌转速的检测常用方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等磁感应式、光感应式和测速发电机等。10 搅拌功率的常用方法搅拌功率的常用方法：功率表测定电动机进线功率；：功率表测定电动机进线功率；搅拌功率的精确检测方法：电机反转矩测定法、轴功率和应变片法；搅拌功率的精确检测方法：电机反转矩测定法、轴功率和应变片法；多数采用测定力矩来得功率，其计算公式为：多数采用测定力矩来得功率，其计算公式为：nMP2生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原
22、理及仪器主要参数检测原理及仪器 11 pH的检测的检测常用常用pH检定仪为检定仪为复合复合pH电极，电极，具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。具有结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。工作原理工作原理：利用玻璃电极与参比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电：利用玻璃电极与参比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电位，其位，其pH可表示为：可表示为：RTEEFPH043.0生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 11 pH的检测的检测生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 11 pH的检测的检
23、测生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 pH的检测的检测生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 pH的检测的检测生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 12 溶氧浓度的检测溶氧浓度的检测常用检测方法为溶氧电极法。常用检测方法为溶氧电极法。阴极还原阴极还原:O2+2H2O+4e-4OH-阳极氧化阳极氧化:4Ag+4Cl-4Ag+4Cl-+4e-总反应总反应:O2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl生化过程
24、常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 12 溶氧浓度的检测溶氧浓度的检测生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 12溶氧浓度的检测溶氧浓度的检测生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器 主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 13溶解溶解CO2浓度的测定浓度的测定23lglgCOHCOaKpH 溶解溶解CO2浓度的检测原理是浓度的检测原理是利用对利用对CO2分子有特殊选择渗分子有特殊选择渗透性的微孔膜，并使扩散通过透性的微孔膜，并使扩散通过的的CO2进入饱和碳酸钠
25、缓冲液进入饱和碳酸钠缓冲液中，平衡后显示的中，平衡后显示的pH与溶解的与溶解的CO2浓度成正比，由此可测出浓度成正比，由此可测出溶解溶解CO2浓度。浓度。CO2电极结构电极结构生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器n 14 氧化还原电位（氧化还原电位（ORP）的检测）的检测 ORP的检测原理是基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到的检测原理是基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值。表示式为：平衡时，具有相应的氧化还原电位值。表示式为：HFRTpoFRTaaFRTEERlnln4ln4200n 15 排
26、气的氧分压的测定排气的氧分压的测定生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器 气体中氧浓度的检测方法主气体中氧浓度的检测方法主要有要有磁氧分析、极谱电位法和磁氧分析、极谱电位法和质谱法。质谱法。被检测排气的磁化率为：被检测排气的磁化率为：BOBoMC10022 在均匀磁场与无磁场的空间存在均匀磁场与无磁场的空间存在压强差：在压强差：MHp2021n 16 排气的排气的CO2分压的测定分压的测定生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器200/lgCCLII 排气中排气中CO2浓度常用检测
27、仪有浓度常用检测仪有红外线二氧化碳测定仪和红外线二氧化碳测定仪和二氧化二氧化碳电极。碳电极。CO2气体在红外气体在红外2.62.9103和和4.14.5103nm之间有吸收峰，之间有吸收峰，根据朗伯比尔定律：根据朗伯比尔定律：n 17 细胞浓度的测定细胞浓度的测定生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器l 全细胞浓度的测定全细胞浓度的测定细胞浓度在线检测浊度计细胞浓度在线检测浊度计n17 细胞浓度的测定细胞浓度的测定生化过程常用检测方法及仪器生化过程常用检测方法及仪器主要参数检测原理及仪器主要参数检测原理及仪器l 活细胞浓度的测定活细胞浓
28、度的测定荧光测量活细胞装置图荧光测量活细胞装置图生物发酵溶液中营养成分与产物的分析生物发酵溶液中营养成分与产物的分析类别类别检测物质检测物质发酵液待检测的物质成分发酵液待检测的物质成分微生物微生物细胞细胞营养基质营养基质葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、BOD等等产物及副产物产物及副产物乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、CH4、氢等、氢等营养盐生长因子营养盐生长因子无机盐无机盐(K+、Ca2+、NH+、NO3-等等)、生物素、维生素、生物素、维生素动物动物细胞细胞营养基质营养基质葡萄糖、氨基酸等葡萄糖、氨基酸等产物
29、及副产物产物及副产物蛋白质类（蛋白质类（t-PA、GCSF、EPO、INF等等)、乳酸、氨、乳酸、氨生长因子生长因子维生素、激素、抗生素维生素、激素、抗生素植物植物细胞细胞营养基质营养基质糖类、醋酸、硝酸盐、氨基酸等糖类、醋酸、硝酸盐、氨基酸等产物及副产物产物及副产物次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、CO2生长素生长素维生素、植物激素（维生素、植物激素（2,4-D、NAA、6-BA等）等）生物传感器 (Biosensor)传感器传感器：能感受能感受(或响应或响应)一种信息并变换成可测一种信息并变换成可测量信号量信号(一般指电学量一般指电学量)的器件。的
30、器件。生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物敏感元件的传感器称为生物传感器。传感器。生物传感器的基本组成生物传感器的基本组成组成：敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理 将将化学信号转变成电信号化学信号转变成电信号 将热能变化转换为电信号将热能变化转换为电信号 将光效应转换为电信号将光效应转换为电信号 直接产生电信号直接产生电信号生物传感
31、器的工作原理生物传感器的工作原理根据输出信号方式分类 a生物亲合型传感器生物亲合型传感器 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固或固定介质发生变化。定介质发生变化。例如：电荷温度光学性质等的变化。反应式例如：电荷温度光学性质等的变化。反应式可表示为：可表示为：S（底物）（底物）+R（受体）（受体）=SR生物传感器的分类生物传感器的分类b b代谢型或催化型传感器代谢型或催化型传感器 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作
32、用并生底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化号，这类传感器称为代谢型或催化型型传感器传感器，其反应形式可表，其反应形式可表示为：示为：S（底物）（底物）R（受体）（受体）=SRP（生成物）（生成物）生物传感器的分类生物传感器的分类根据分子识别元件上的敏感物质分类根据分子识别元件上的敏感物质分类 生物传感器中生物传感器中分子识别元件上所用的敏感物质有分子识别元件上所用的敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体酶、微生物、动植物组织、细胞
33、器、抗原和抗体等；等；根据所用的敏感物质可将生物传感器分为根据所用的敏感物质可将生物传感器分为酶传感酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。疫传感器等。生物传感器的分类生物传感器的分类 根据信号转换器分类根据信号转换器分类 生物传感器的信号转换器有：生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等据此又据此又将生物传感器分将生物传感器分为为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测
34、光型生传感器、测声型生物传感器等传感器、测光型生传感器、测声型生物传感器等生物传感器的分类生物传感器的分类生物传感器的分类生物传感器的分类 生物传感器的特点生物传感器的特点(1)由选择性好的主体材料构成的分子由选择性好的主体材料构成的分子识别元件，识别元件，一般不需进行样品的预处理；一般不需进行样品的预处理；(2)利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体；测定时一般不需另加其它试剂；统一为一体；测定时一般不需另加其它试剂；(3)由于它的体积小、可以实现连续在位监测；由于它的体积小、可以实现连续在位监测；(4)响应快、样品用量少，且由于敏
35、感材料是固定化的，响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。可以反复多次使用。(5)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。因而便于推广普及。生物传感器的信号转换器 生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。常用的生物传感器换能器件有电化学电极、的装置。常用的生物传感器换能器件有电化学电极、热敏器件、半导体器件、光电原理器件等，目前以电热敏器件、半导体器件、光电原
36、理器件等，目前以电化学电极应用最广且比较成熟。化学电极应用最广且比较成熟。电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极一般可以分为两种类型。化学电极一般可以分为两种类型。电位型电极电位型电极和和电流电流型电极型电极 电位型电极电位型电极 离子选择电极离子选择电极 离子选择性电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择离子选择性电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广离子选择性电极作为生物传感器的信号此应用范围很广离子选择性电极作为生物传感器的
37、信号转换器只是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它转换器只是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成分（如测定体液中的一些成分（如H+，K+，Na+、Ca2+等）。等）。生物传感器的信号转换器 生物传感器的信号转换器氧化还原电极氧化还原电极 生物传感器的信号转换器 生物传感器的信号转换器 电流型电极 电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：（1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系，而电位型）电极的输出直
38、接和被测物的浓度呈线性关系，而电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系；电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系；（2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差比电位型电极的小；比电位型电极的小；（3）电极的灵敏度比电位型电极的高。）电极的灵敏度比电位型电极的高。生物传感器的信号转换器 生物热敏器件生物热敏器件 基于温度测量原理，把生物功基于温度测量原理，把生物功能材料和高性能检测器件结合而能材料和高性能检测器件结合而成，如酶热敏电阻。成，如酶热敏电阻。酶热敏电阻可分为密接型和反酶热敏电阻可分为密接型和反应器型。应器型。酶热敏电阻检测系统
39、 生物传感器的信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 传感器应具有以下特点：传感器应具有以下特点：（l）小型化，便于携带，易于使用，非专业人员也能操作；）小型化，便于携带，易于使用，非专业人员也能操作；（2）响应快，可应用于微小区域，如生物细胞内成分的测定；）响应快，可应用于微小区域，如生物细胞内成分的测定；（3）能同时完成多种成分测定；）能同时完成多种成分测定；（4）能够直接连接在计算机的输入端；）能够直接连接在计算机的输入端；（5）输出阻抗低，可避免外界感应以及下级电路的干扰。）输出阻抗低，可避免外界感应以及下级电路的干扰。由于绝缘栅场效应管的应用，制造具有以上特点的离子敏由于绝
40、缘栅场效应管的应用，制造具有以上特点的离子敏感元件及生物敏感元件已成为现实感元件及生物敏感元件已成为现实敏场效应晶体管的结构和工作原理 离子敏场效应晶体管（ISFET）：它与常用的绝缘栅型场效应晶体管构造相同在输入栅极做它与常用的绝缘栅型场效应晶体管构造相同在输入栅极做了一些改进，以能与特定的化学物质反应，产生电位的敏感膜了一些改进，以能与特定的化学物质反应，产生电位的敏感膜取代金属极让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中取代金属极让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中的离子有选择作用，从而调制的离子有选择作用，从而调制ISFET的漏电流变化，利用这个的漏电流变化，利用这个特性就能检测
41、一溶液中的离子活度。特性就能检测一溶液中的离子活度。生物传感器的信号转换器Ion-sensitive field-effect transistor(ISFET)敏场效应晶体管的结构和工作原理 生物传感器的信号转换器 生物传感器的信号转换器 光生物电极光生物电极 光生物电极的测量原理：光生物电极的测量原理：生物发光反应的测量原理；生物发光反应的测量原理；生物物质的光吸收、光激发；生物物质的光吸收、光激发；生物反应物质对光传播对干生物反应物质对光传播对干扰原理。扰原理。竞争结合型、光吸收型、荧光淬灭型、指示剂型、生物发竞争结合型、光吸收型、荧光淬灭型、指示剂型、生物发光型和光传递干扰型。光型和光
42、传递干扰型。敏感器件（分子识别元件)酶电极酶电极酶电极结构原理示意图敏感器件（分子识别元件)微生物电极呼吸性测定型微生物传感器代谢产物测定型微生物传感器免疫传感器(Immunosensor)免疫电极免疫电极敏感器件（分子识别元件)酶标记免疫传感器原理示意图 组织传感器组织传感器 以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极动植感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极动植物组织中的酶是反应的催化剂与酶电极比较，组织物组织中的酶是反应的催化剂与酶电极比较，组织电极具有如下优点：电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高
43、酶活性较离析酶高.2.酶的稳定性增大酶的稳定性增大.3.材料易于获得材料易于获得.植物组织膜电极结构图解 a一水瓜,b一果皮,c-中果皮,d-内果皮1-中果皮组织薄片2-固定化骨架3-透气健,4-垫圈5-内电解质6-复合PH电极7-塑料电极体3-7为二氧化碳气敏电极结构组织传感器组织传感器生物传感器的应用生物传感器的应用 微生物发酵过程检测上的应用微生物发酵过程检测上的应用 动植物细胞培养过程检测上的应用 检测参数：细胞浓度、基质浓度、产物浓度、溶氧浓度、细胞浓度、基质浓度、产物浓度、溶氧浓度、pHpH等；检测胞内等；检测胞内pHpH、RNARNA、DNADNA、ATPATP、NADPNADP
44、等。等。流式细胞计数法（流式细胞计数法（FCM)FCM)：流式细胞仪：流式细胞仪生物传感器的应用发发酵酵罐罐 pH 溶 氧培养温度加热器泵过滤器培养基贮罐称空气压缩机消泡剂酸或碱O2 CO2浓度冷却水排气泵序列信息DA变换数码输出AD变换CPUWS或PC过程控制器第三节第三节 生化过程的控制生化过程的控制一般检控系统包括一般检控系统包括3个部分个部分。1测定元件：测定元件：如温度计、压力表、电流计、如温度计、压力表、电流计、pH计直接测定发计直接测定发 酵过程的各种参数，并酵过程的各种参数，并输出相应信号输出相应信号。2控制部分：控制部分：其功能主要是将其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号
45、测定元件测出的各种参数信号 与与预先确定值预先确定值进行进行比较比较，并且，并且输出信号指令执输出信号指令执 行元件行元件进行进行调整控制调整控制。3执行元件：执行元件：它它接受控制部分的指令接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀开启、或关闭有关阀 门、泵、开关等调节控制机构，使门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到有关参数达到 预定位置预定位置。手动控制和自动控制手动控制和自动控制控制方式控制方式生化过程的控制酸碱pH记录及调节器pH测量电极组 温度的控制 pH的控制发酵温度的控制发酵温度的控制在发酵罐上安装在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通夹套和蛇罐，通过循环冷却水控过循环冷却水控制。制。冷却
46、介质：冷却介质：深井水或冷深井水或冷冻水冻水控制方式：控制方式：手动控制手动控制或自动控或自动控制制 温度计温度计温度控制器温度控制器调节阀调节阀图图3pH的控制系统的控制系统pH电极电极设定设定控制器控制器调节阀调节阀6.5pHUncontrolledControlled经消毒的经消毒的pHpH电极装入发电极装入发酵罐内定时直接测定培酵罐内定时直接测定培养基的养基的pHpH，同时还可以，同时还可以与控制仪表连结，通过与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵回路系统控制阀门或泵进行进行pHpH调节。调节。图图4调节器消泡剂生化过程的控制 溶氧的控制 泡沫的控制泡沫的检测和控制泡沫的检测和控制n
47、最简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫产发酵罐视孔上观察泡沫产生情况生情况，发现泡沫持续上升时，开启消泡剂贮罐开启消泡剂贮罐的阀门，的阀门，流加少量消泡剂流加少量消泡剂，使泡沫消失即可，使泡沫消失即可。n n也可在罐内顶部装液位仪与控制仪表连结罐内顶部装液位仪与控制仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。n当泡沫上升泡沫上升接触探头顶端时产生的信号接触探头顶端时产生的信号，通过控控制装置制装置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡泵开关或阀门，自动加入消泡剂剂，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。生化过程的控制图图 是是对溶氧水对溶氧水平实行串平实行串级控制的级控制的例子例子生化过程的控制生化过程的控制
