第五章生物反应器的检测及控制

1、第五章第五章 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（1 1）温度温度 ：整个发酵过程整个发酵过程不同阶段不同阶段所维持的温度。所维持的温度。其其高低与发酵中酶反应速率、氧溶解度和传递速高低与发酵中酶反应速率、氧溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率等密切率、菌体生长速率和产物合成速率等密切相关相关。（2 2）压力压力: :发酵过程中发酵罐维持压力。发酵过程中发酵罐维持压力。供给细胞呼供给细胞呼吸代谢所必需的氧，强化培养液的混合与传质，吸代谢所必需的氧，强化培养液的混合与传质，可防止外界空气中杂菌侵入可防止外界空气中杂菌

2、侵入, ,避免污染。一般维持避免污染。一般维持在在0.02-0.050.02-0.05MPaMPa。（3 3）液面（或浆液量）：液面的高低决定反应器的液面（或浆液量）：液面的高低决定反应器的装料系数即影响生产效率。特别是通气发酵过程，装料系数即影响生产效率。特别是通气发酵过程，排气会带走一定水分，影响液面。排气会带走一定水分，影响液面。（4） 泡沫高度：无论厌气还是通气发酵均有不同程泡沫高度：无论厌气还是通气发酵均有不同程度的泡沫产生。控制不好，影响装料系数，降低生度的泡沫产生。控制不好，影响装料系数，降低生产率，同时可能造成染菌。产率，同时可能造成染菌。（5）培养基流加速度：）培养基流加速度

3、：实现优化连续发酵或流加操实现优化连续发酵或流加操作，获得最大发酵速率和生产效率的控制参数。作，获得最大发酵速率和生产效率的控制参数。（6 6）通气量：）通气量：每分钟内每单位体积发酵液通每分钟内每单位体积发酵液通入入空气空气的体积的体积, ,也叫也叫通风比通风比, ,也是需氧发酵的控制参数。也是需氧发酵的控制参数。其其大小与氧传递和其他控制参数有关大小与氧传递和其他控制参数有关, ,一般控制在一般控制在0.5-1.0L/(L.min)0.5-1.0L/(L.min)。（7）黏度（或表观黏度）：）黏度（或表观黏度）：其其大小可作细胞生长或大小可作细胞生长或细胞形态的一项标志细胞形态的一项标志,

4、 ,也能反映罐中菌丝分裂过程也能反映罐中菌丝分裂过程情况情况, ,通常用表观通常用表观黏黏度表示。度表示。其其大小可改变氧传递大小可改变氧传递阻力阻力, , 物质传递等。物质传递等。（8 8）搅拌转速与搅拌功率：两者）搅拌转速与搅拌功率：两者与氧传递速率和发与氧传递速率和发酵液酵液混合状态以及物质传递等混合状态以及物质传递等有关。好氧性发酵不有关。好氧性发酵不同阶段控制不同转数同阶段控制不同转数, ,以调节培养基中溶氧。以调节培养基中溶氧。（9）冷却介质流量与温度：不同发酵时期的发酵热）冷却介质流量与温度：不同发酵时期的发酵热不同，要维持正常的发酵温度，需要的冷却介质的不同，要维持正常的发酵温

5、度，需要的冷却介质的流量和温度也有所不同。需要通过测定和控制冷却流量和温度也有所不同。需要通过测定和控制冷却介质的进出口温度和流量。介质的进出口温度和流量。（10）蒸气压强：无论是发酵培养基还是发酵罐体等）蒸气压强：无论是发酵培养基还是发酵罐体等都需要饱和蒸气进行高温高压灭菌。都需要饱和蒸气进行高温高压灭菌。（11）湿度：对于固体通风发酵，需要对通入发酵反）湿度：对于固体通风发酵，需要对通入发酵反应器的空气温度和湿度进行调控。另外，成品包装应器的空气温度和湿度进行调控。另外，成品包装车间的湿度也需要控制。车间的湿度也需要控制。（12）pHpH值值 ：发酵过程中各种生化反应的综合结果发酵过程中各

6、种生化反应的综合结果，是发酵工艺控制的重要参数之一。是发酵工艺控制的重要参数之一。 pHpH值高低与菌值高低与菌体生长和产物合成重要体生长和产物合成重要相关相关。（13）溶氧浓度和氧化还原电位：）溶氧浓度和氧化还原电位：需氧发酵需氧发酵中，中，不同发不同发酵及发酵时期有不同溶氧水平酵及发酵时期有不同溶氧水平，通过检测，通过检测溶氧浓度变溶氧浓度变化化，了解发酵了解发酵是否是否异常异常，进行，进行发酵中间控制发酵中间控制。对亚好。对亚好氧发酵则通过氧发酵则通过氧化还原电位计来确定微小溶氧值。氧化还原电位计来确定微小溶氧值。（14）发酵液中）发酵液中CO2溶解浓度：通气发酵中，溶解浓度：通气发酵中

7、， CO2溶解溶解浓度过高抑制细胞生长和产物形成；对光照自养的微浓度过高抑制细胞生长和产物形成；对光照自养的微藻培养，适当提高藻培养，适当提高CO2溶解浓度有助于细胞生长。溶解浓度有助于细胞生长。（15）培养基质浓度和产物浓度：）培养基质浓度和产物浓度：发酵液中糖、氮、发酵液中糖、氮、磷等对菌生长和产物合成有重要影响磷等对菌生长和产物合成有重要影响, , 也是提高代也是提高代谢产物产量的重要控制手段。谢产物产量的重要控制手段。产物浓度产物浓度是发酵产物是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的重要参数产量高低或合成代谢正常与否的重要参数 , , 也是也是决定发酵周期长短的根据。决定发酵周期长短的根

8、据。（1616）细胞浓度及酶活性：）细胞浓度及酶活性：是控制发酵是控制发酵速率和效率速率和效率的的重要参数之一重要参数之一。生产上生产上, ,常根据常根据细胞细胞浓度决定补料浓度决定补料量和供氧量量和供氧量, ,以保证生产达预期水平以保证生产达预期水平。对酶的催化。对酶的催化反应，酶活性也同等重要。反应，酶活性也同等重要。第二节第二节 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 要求：传感器耐蒸气加热灭菌，较高精度要求：传感器耐蒸气加热灭菌，较高精度和稳定性，和稳定性， 响应时间短。响应时间短。一、检测方式及仪器组成一、检测方式及仪器组成 在线检测：仪器的电极等可直接与反应器内的培在

9、线检测：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检测。养基接触或可连续从反应器中取样进行分析检测。如溶氧、温度、如溶氧、温度、pH、压力等。一般首选。、压力等。一般首选。检测仪器的基本构成：检测仪器的基本构成：被测样品被测样品 传感器传感器 信号转换器信号转换器 输出显示器输出显示器 信号放大器信号放大器离线测量：从反应器中取样出来后，用仪器或化学离线测量：从反应器中取样出来后，用仪器或化学分析检测。分析检测。二、主要参数检测原理及仪器二、主要参数检测原理及仪器 在线无菌取样系统：在线无菌取样系统：（非挥发性物质检测取样）（非挥发性物质检测取样）挥发性物质检测取样

10、挥发性物质检测取样1.温度的测定温度的测定 温度检测仪包括：热电阻检测器、半导体热敏电阻、温度检测仪包括：热电阻检测器、半导体热敏电阻、热电偶和玻璃温度计。热电偶和玻璃温度计。 常用常用金属热电阻金属热电阻温度计，以温度计，以铂电阻铂电阻最常用，其次是铜最常用，其次是铜电阻。电阻。 铂电阻耐热、耐腐蚀、精度高、价高；铜电阻价低、铂电阻耐热、耐腐蚀、精度高、价高；铜电阻价低、易氧化、体积大。易氧化、体积大。 半导体热敏电阻灵敏度高、响应时间短、体积小、结半导体热敏电阻灵敏度高、响应时间短、体积小、结构简单、耐腐蚀、寿命长，但温度与电阻值的关系构简单、耐腐蚀、寿命长，但温度与电阻值的关系非非线性线

11、性，使用不多。，使用不多。 温度测量与控制：温度测量与控制：小型发酵罐：半导体或水银触点温度计小型发酵罐：半导体或水银触点温度计大型发酵罐：铂金电阻或半导体温度计大型发酵罐：铂金电阻或半导体温度计 控温方式：用简单的控温方式：用简单的On-Off或效果更佳的或效果更佳的PID（画（画面信息数字化）控制面信息数字化）控制 控温介质：冷、热水。控温介质：冷、热水。2.压强检测压强检测 最常用的是最常用的是隔膜式压力表隔膜式压力表。 工业规模生产时，通常把压力信号转换成电信号，工业规模生产时，通常把压力信号转换成电信号，以便远距离监控。以便远距离监控。3.液位和泡沫高度检测液位和泡沫高度检测 液位检

12、测法主要有：压差法、电容法和电导法，前液位检测法主要有：压差法、电容法和电导法，前两种最常用。两种最常用。（1）电容式液面计（）电容式液面计（液位不同，两根金属电极间电液位不同，两根金属电极间电位不同位不同）（2）压差法（）压差法（反应器内上下两点或三点间不同压强反应器内上下两点或三点间不同压强计算出料液量和液面高度计算出料液量和液面高度） 泡沫高度测定：最常用电极探针测定，泡沫产生增泡沫高度测定：最常用电极探针测定，泡沫产生增多，其表面上升与电极探针接触而产生电信号。多，其表面上升与电极探针接触而产生电信号。 另用超声波测定泡沫高度。另用超声波测定泡沫高度。 泡沫控制：化学消泡和机械消泡泡沫

13、控制：化学消泡和机械消泡4.培养基和液体流量测定培养基和液体流量测定 最常用流量计，如液体质量流量计、电磁流量计、漩最常用流量计，如液体质量流量计、电磁流量计、漩涡流量计和转子流量计。涡流量计和转子流量计。5.气体流量计气体流量计 实用类型分为：实用类型分为：（1）体积流量型：根据流动气体动能的转换及流）体积流量型：根据流动气体动能的转换及流动类型改变而检测流量。（小实验室用转子流量动类型改变而检测流量。（小实验室用转子流量计）计）（2）质量流量型：利用流体的固有性质如质量、）质量流量型：利用流体的固有性质如质量、导电性、电磁感应及导热等特性设计。最常用的导电性、电磁感应及导热等特性设计。最常

14、用的是利用其导热性。是利用其导热性。6.发酵液黏度检测发酵液黏度检测 常用的黏度仪有：振动式常用的黏度仪有：振动式黏度传感仪、毛细管黏度黏度传感仪、毛细管黏度计、回转式黏度计以及涡计、回转式黏度计以及涡轮旋转黏度计等。轮旋转黏度计等。（1）振动式黏度传感仪：）振动式黏度传感仪：特制金属棒插入反应器溶特制金属棒插入反应器溶液，强制振动，其振动特液，强制振动，其振动特性与液体黏度有关。（可性与液体黏度有关。（可保证无菌操作，但测定黏保证无菌操作，但测定黏度相对值，精确度较差。）度相对值，精确度较差。）（2）发酵液循环黏度测定：）发酵液循环黏度测定： 在反应器中装自动无菌取样循环系统，发酵液通过在反

15、应器中装自动无菌取样循环系统，发酵液通过取样管路流过旋转式黏度计或毛细管黏度计，实现取样管路流过旋转式黏度计或毛细管黏度计，实现连续在线检测。连续在线检测。（测定范围：（测定范围：0.015-100Pa.s，响应时间，响应时间10s，灵敏度，灵敏度为满刻度的为满刻度的1）7.搅拌转速和搅拌功率搅拌转速和搅拌功率（1）搅拌转速：罐容越小，转速越高。）搅拌转速：罐容越小，转速越高。检测常用法检测常用法 磁感应式、光感应式：在搅拌或电极轴上装设感应磁感应式、光感应式：在搅拌或电极轴上装设感应片切割磁场或光速而产生脉冲信号，脉冲频率与转片切割磁场或光速而产生脉冲信号，脉冲频率与转速相同。速相同。 测速

16、发电机：在搅拌或电极轴上装设一小型发电机，测速发电机：在搅拌或电极轴上装设一小型发电机，输出电压与转速成线性关系。输出电压与转速成线性关系。 搅拌转速调节：小罐采用直流电机、调速电机和变搅拌转速调节：小罐采用直流电机、调速电机和变频器等实行无级调速，大罐调速设备投入大，目前频器等实行无级调速，大罐调速设备投入大，目前固定转速。固定转速。（2）搅拌功率）搅拌功率 生产规模的搅拌功率只测定驱动电机电压与电流，生产规模的搅拌功率只测定驱动电机电压与电流，或直接测定电机搅拌功率，但此功率包含传动减速或直接测定电机搅拌功率，但此功率包含传动减速机构的功率损失。机构的功率损失。 实验研究采用轴转矩测定法。

17、实验研究采用轴转矩测定法。 P=2nM8.pH检测检测 最常用的是复合最常用的是复合pH电极，电极，结构紧凑，耐高热。结构紧凑，耐高热。 原理：玻璃电极和参比原理：玻璃电极和参比电极浸泡于某一溶液时，电极浸泡于某一溶液时，具有一定电位。具有一定电位。 注意：电极保护和标定。注意：电极保护和标定。 pH控制：控制：加入酸碱试剂加入酸碱试剂调节培养基中碳氮源的添加调节培养基中碳氮源的添加9.溶氧浓度检测溶氧浓度检测 常用溶氧电极测定常用溶氧电极测定 原理：氧分子在阴极上还原，有电流产生，产生的原理：氧分子在阴极上还原，有电流产生，产生的电流和被还原的氧量成正比。电流和被还原的氧量成正比。 溶氧值采

18、用饱和溶氧百分数和溶氧值表示，前者最溶氧值采用饱和溶氧百分数和溶氧值表示，前者最常用。常用。 注意：测定时使电极周围的液体适度流动，加强传注意：测定时使电极周围的液体适度流动，加强传质，尽量减小与电极膜接触的液膜滞流层厚度，减质，尽量减小与电极膜接触的液膜滞流层厚度，减少气泡和生物细胞在膜上积存，减少测定误差。少气泡和生物细胞在膜上积存，减少测定误差。 溶氧控制：溶氧控制：根据发酵情况流加碳源根据发酵情况流加碳源调节通风量和搅拌转速调节通风量和搅拌转速10.溶解溶解CO2浓度检测浓度检测 原理：原理：CO2分子能特殊选择渗透通过特定的微孔膜，分子能特殊选择渗透通过特定的微孔膜，并使扩散通过的并

19、使扩散通过的CO2进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的平衡后显示的pH与溶解的与溶解的CO2浓度成正比。浓度成正比。 注意：其工作原理同注意：其工作原理同pH计类似。每次灭菌后均需校计类似。每次灭菌后均需校正后才能测定。正后才能测定。11.氧化还原电位（氧化还原电位（ORP） ORP作为亚需氧生物反应中微量溶氧浓度的指示。作为亚需氧生物反应中微量溶氧浓度的指示。 检测原理：基于溶液中的金属电极上进行的电子交检测原理：基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达平衡时，具有相应的换达平衡时，具有相应的ORP，此值与溶液的，此值与溶液的pH和温度以及溶氧有关。和温度以及溶

20、氧有关。12.排气氧分压和排气氧分压和CO2分压的检测分压的检测（1）排气氧分压的检测：）排气氧分压的检测： 主要有主要有磁氧分析磁氧分析、极谱电位法和质谱法。、极谱电位法和质谱法。 氧是顺磁性的，磁化率较大，在所有气体中占重要氧是顺磁性的，磁化率较大，在所有气体中占重要地位。地位。 将被检测样品气体导入磁场，非均匀磁场范围内作将被检测样品气体导入磁场，非均匀磁场范围内作用在气体分子上的力导致压强变化，即在均匀磁场用在气体分子上的力导致压强变化，即在均匀磁场和无磁场的空间存在压强差：和无磁场的空间存在压强差： p M Co2（2）排气中）排气中CO2分压检测分压检测 常用红外线二氧化碳测定仪和

21、二氧化碳电极。常用红外线二氧化碳测定仪和二氧化碳电极。 红外线二氧化碳测定仪原理：红外线二氧化碳测定仪原理：CO2在近红外波段有吸在近红外波段有吸收谱，吸收峰在收谱，吸收峰在2.6-2.9103和和4.1-4.5103nm间。间。 吸收峰波段内，通过含有吸收峰波段内，通过含有CO2的气体时，光强度衰减。的气体时，光强度衰减。I 。、 I入射光和衰减后光强度；入射光和衰减后光强度；光吸收系数；光吸收系数；L光透过气体的距离，光透过气体的距离，m；Co2 CO2气体浓度，气体浓度，13.细胞浓度测定细胞浓度测定（1）全细胞浓度测定：）全细胞浓度测定： 分湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积等。其中干

22、分湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积等。其中干重法最准确，其余三种简便。重法最准确，其余三种简便。 在线检测全细胞浓度必需满足：在线检测全细胞浓度必需满足：响应连续、迅速；响应连续、迅速；灵敏度在灵敏度在0.02g/L以上；以上；电极本身对细胞无影响；电极本身对细胞无影响；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；可检测含可检测含固体微粒的发酵液；固体微粒的发酵液；易于清洗、灭菌。易于清洗、灭菌。 流通式浊度计满足上述要求。不同细胞采用不同光，流通式浊度计满足上述要求。不同细胞采用不同光，如可见单色光、激光或紫外光作为光源照射细胞。如可见单色光、激光或紫外光作为光源照

23、射细胞。全细胞浓度与光密度值呈线性关系。全细胞浓度与光密度值呈线性关系。 注意：注意： 适于游离细胞；适于游离细胞；气泡会干扰读数；气泡会干扰读数；适适当提高发酵液流过光电比色皿速度，以免细胞附壁当提高发酵液流过光电比色皿速度，以免细胞附壁增大测定误差。增大测定误差。（2）活细胞浓度测定）活细胞浓度测定 原理：利用活细胞催化反应或活细胞本身特有物质原理：利用活细胞催化反应或活细胞本身特有物质而使用生物发光或化学发光法进行测定。而使用生物发光或化学发光法进行测定。 例如：通过检测发酵液的例如：通过检测发酵液的ATP来测定活细胞浓度。来测定活细胞浓度。 ATP荧光素荧光素O2氧化荧光素氧化荧光素P

24、P1CO2荧光荧光 荧光强度与荧光强度与ATP浓度成正比。浓度成正比。三、生物发酵液中营养成分与产物分析三、生物发酵液中营养成分与产物分析 大多数成分是通过微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器大多数成分是通过微孔陶瓷取样器或渗透膜取样器取样后，使用取样后，使用HPLC或或GC等仪器或化学方法检测。等仪器或化学方法检测。第三节第三节 生物传感器的研究开发与应用生物传感器的研究开发与应用 生物传感器：由固定化的生物传感器：由固定化的生物材料生物材料和适当的和适当的换能器换能器件件相结合而构成，换能器把生化反应信号转换成可相结合而构成，换能器把生化反应信号转换成可定量的检测信号的检测器件。定量的检测信号的检

25、测器件。 原理：利用生物细胞自身或其中所含的酶等有原理：利用生物细胞自身或其中所含的酶等有生物生物功能功能的物质制成。的物质制成。 生物材料包括：固定化酶、微生物、抗原抗体、生生物材料包括：固定化酶、微生物、抗原抗体、生物体组织或器官等物体组织或器官等 换能器：电化学电极、热敏电阻、离子敏感场效应换能器：电化学电极、热敏电阻、离子敏感场效应管、光纤和压电晶体等。管、光纤和压电晶体等。一、生物传感器在微生物发酵过程检测上的应用一、生物传感器在微生物发酵过程检测上的应用（1）流式细胞仪（）流式细胞仪（Cell Sorter）：被检测的含细胞试）：被检测的含细胞试样流过检测器，细胞逐个滴下，由激光检

26、出。样流过检测器，细胞逐个滴下，由激光检出。 根据预先设定的各种细胞的电特性进行识别，可统计根据预先设定的各种细胞的电特性进行识别，可统计出细胞的尺寸分布及细胞龄等特性。出细胞的尺寸分布及细胞龄等特性。 （2）各种酶电极：用于培养基营养成分如糖类、营）各种酶电极：用于培养基营养成分如糖类、营养盐以及产物等的分析检测。养盐以及产物等的分析检测。 具体检测的酶反应原理，以及一些生产发酵中已研制具体检测的酶反应原理，以及一些生产发酵中已研制开发的生物传感器，见材料开发的生物传感器，见材料p83-84表表1-5-3和和1-5-4。二、生物传感器的类型及结构原理二、生物传感器的类型及结构原理生物传感器膜

27、（固定化酶、微生物等）与其他有生物传感器膜（固定化酶、微生物等）与其他有机或无机敏感膜的区别：机或无机敏感膜的区别：不产生界面电势不产生界面电势 仅与待测物质发生生物催化反应，生成能使生物仅与待测物质发生生物催化反应，生成能使生物膜层下面的敏感层产生响应的物质，属二次响应。膜层下面的敏感层产生响应的物质，属二次响应。生物传感器特点（理论）：生物传感器特点（理论）： 具有特异性和多样性具有特异性和多样性 不需添加化学反应试剂，检测方便、快速不需添加化学反应试剂，检测方便、快速 可自动和在线检测可自动和在线检测注意：事实不耐高温，稳定性不好，寿命短（急需解注意：事实不耐高温，稳定性不好，寿命短（急

28、需解决）用于在线检测存在问题。决）用于在线检测存在问题。1.酶电极酶电极（1）酶电极的响应时间和响应信号输出）酶电极的响应时间和响应信号输出稳态响应：酶电极置于待检测溶液时，电极信号稳态响应：酶电极置于待检测溶液时，电极信号随时间逐渐增加，最后趋于稳定。随时间逐渐增加，最后趋于稳定。目的物质浓度测定步骤：目的物质浓度测定步骤：以时间和响应信号为坐标，作出不同浓度标准物以时间和响应信号为坐标，作出不同浓度标准物质响应曲线。质响应曲线。再以标准物质的浓度和最初响应速率（由再以标准物质的浓度和最初响应速率（由求得）求得）为坐标，作出响应标准曲线。为坐标，作出响应标准曲线。测定样品液的时间和响应信号的

29、响应曲线，对照测定样品液的时间和响应信号的响应曲线，对照标准曲线，查出样品液中物质浓度。标准曲线，查出样品液中物质浓度。 响应时间：当电极参加某一样品溶液或样液中待测响应时间：当电极参加某一样品溶液或样液中待测物质浓度改变后，电极信号输出达到稳态值所需的物质浓度改变后，电极信号输出达到稳态值所需的时间。通常，输出信号达稳态值的时间。通常，输出信号达稳态值的95所需时间称所需时间称为为95响应时间或简称响应时间。响应时间或简称响应时间。 响应时间的影响因素：酶膜的厚度和扩散速率以及响应时间的影响因素：酶膜的厚度和扩散速率以及被测系统的基质浓度被测系统的基质浓度（2）酶电极的专一性和抗离子干扰）酶

30、电极的专一性和抗离子干扰 实际检测时，离子干扰和目的检测物质结构类似物实际检测时，离子干扰和目的检测物质结构类似物等均会导致酶电极的专一性，降低其测量的准确性等均会导致酶电极的专一性，降低其测量的准确性和精度。和精度。（3）酶电极的稳定性和使用寿命）酶电极的稳定性和使用寿命 稳定性受酶失活和固定化酶渗漏影响。稳定性受酶失活和固定化酶渗漏影响。 主要受被测溶液特性如是否存在使酶失活或分解的主要受被测溶液特性如是否存在使酶失活或分解的蛋白酶等，或过高或过低的蛋白酶等，或过高或过低的pH等。等。 提高提高稳定性和使用寿命的方法：稳定性和使用寿命的方法：酶固定化时，酶酶固定化时，酶层上用半透膜保护或使用辅酶等方法；层上用半透膜保护或使用辅酶等方法；注意正确注意正确的电极保存和使用方法。的电极保存和使用方法。（4）某些酶电极